TY  - THES
A1  - Stange, Maike
T1  - A study on Coronin-A and Aip1 function in motility of Dictyostelium discoideum and on Aip1 interchangeability between Dictyostelium discoideum and Arabidopsis thaliana
T1  - Studie über die Funktion von Coronin-A und Aip1 bei der Motilität von Dictyostelium discoideum und zur Aip1-Austauschbarkeit zwischen Dictyostelium discoideum und Arabidopsis thaliana
N2  - Actin is one of the most highly conserved proteins in eukaryotes and distinct actin-related proteins with filament-forming properties are even found in prokaryotes. Due to these commonalities, actin-modulating proteins of many species share similar structural properties and proposed functions. The polymerization and depolymerization of actin are critical processes for a cell as they can contribute to shape changes to adapt to its environment and to move and distribute nutrients and cellular components within the cell. However, to what extent functions of actin-binding proteins are conserved between distantly related species, has only been addressed in a few cases. In this work, functions of Coronin-A (CorA) and Actin-interacting protein 1 (Aip1), two proteins involved in actin dynamics, were characterized. In addition, the interchangeability and function of Aip1 were investigated in two phylogenetically distant model organisms. The flowering plant Arabidopsis thaliana (encoding two homologs, AIP1-1 and AIP1-2) and in the amoeba Dictyostelium discoideum (encoding one homolog, DdAip1) were chosen because the functions of their actin cytoskeletons may differ in many aspects. Functional analyses between species were conducted for AIP1 homologs as flowering plants do not harbor a CorA gene. 
In the first part of the study, the effect of four different mutation methods on the function of Coronin-A protein and the resulting phenotype in D. discoideum was revealed in two genetic knockouts, one RNAi knockdown and a sudden loss-of-function mutant created by chemical-induced dislocation (CID). The advantages and disadvantages of the different mutation methods on the motility, appearance and development of the amoebae were investigated, and the results showed that not all observed properties were affected with the same intensity. Remarkably, a new combination of Selection-Linked Integration and CID could be established. 
In the second and third parts of the thesis, the exchange of Aip1 between plant and amoeba was carried out. For A. thaliana, the two homologs (AIP1-1 and AIP1-2) were analyzed for functionality as well as in D. discoideum. In the Aip1-deficient amoeba, rescue with AIP1-1 was more effective than with AIP1-2. The main results in the plant showed that in the aip1-2 mutant background, reintroduced AIP1-2 displayed the most efficient rescue and A. thaliana AIP1-1 rescued better than DdAip1. The choice of the tagging site was important for the function of Aip1 as steric hindrance is a problem. The DdAip1 was less effective when tagged at the C-terminus, while the plant AIP1s showed mixed results depending on the tag position. In conclusion, the foreign proteins partially rescued phenotypes of mutant plants and mutant amoebae, despite the organisms only being very distantly related in evolutionary terms.
N2  - Actin ist eines der am stärksten konservierten Proteine in Eukaryoten und sogar Prokaryoten weisen Aktin-ähnliche Proteine mit filamentbildenden Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Gemeinsamkeiten teilen Aktin-modulierte Proteine vieler Arten ähnliche strukturelle Eigenschaften und vermutlich auch Funktionen. Die Polymerisierung und Depolymerisation von Aktin sind kritische Prozesse für eine Zelle, da sie zu Zellformänderungen beitragen können, um sich an die Umgebung anzupassen und Nährstoffe sowie zelluläre Komponenten innerhalb der Zelle zu bewegen und zu verteilen. Inwieweit die Funktionen von Aktin-bindenden Proteinen zwischen entfernt verwandten Arten funktionell konserviert sind, wurde jedoch nur in wenigen Fällen untersucht. In dieser Arbeit wurden Funktionen von Coronin-A (CorA) und Actin-interagierendem Protein 1 (AIP1), zweier an der Aktindynamik beteiligter Proteine, charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Austauschbarkeit und Funktion von AIP1 in zwei phylogenetisch entfernten Modellorganismen untersucht. Die Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (kodiert für zwei Homologe: AIP1-1 und AIP1-2) und die Amöbe Dictyostelium discoideum (kodiert für ein Homolog: DdAip1) wurden ausgewählt, weil die Funktionen ihrer Aktin-Zytoskelette in mehreren Aspekten verschieden sein könnten. Funktionelle Analysen zwischen Arten wurden für AIP1-Homologe durchgeführt, da Blütenpflanzen kein CorA Gen tragen. 
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von vier verschiedenen Mutationsmethoden auf die Funktion des CorA-Proteins und des resultierenden Phänotyps in D. discoideum in zwei genetischen Knockouts, einem RNAi Knockdown und einem durch chemisch induzierte Delokalisierung (CID) erzeugten Mutanten geprüft. Die Vor- und Nachteile der Methoden zur Motilität, des Aussehens und der Entwicklung der Amöben wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass nicht alle beobachteten Eigenschaften mit der gleichen Intensität beeinflusst wurden. Hierbei wurde eine neue Methodenkombination aus selektionsgebundener Integration und CID etabliert. 
Im zweiten und im dritten Teil der Arbeit wurde der Austausch von AIP1 zwischen Pflanze und Amöben durchgeführt. Die zwei A. thaliana-Homologe AIP1-1 und AIP1-2 wurden auf Funktionalität in D. discoideum geprüft. In Aip1-defizienten Amöben war die Rettung mit AIP1-1 effektiver als bei AIP1-2. Die Hauptergebnisse der Arbeit wiesen darauf hin, dass AIP1-2 im aip1.2-1 act7 Mutantenhintergrund die effizienteste Rettung zeigte, während A. thaliana AIP1-1 effizienter rettete als DdAip1. Die Auswahl der Tagging-Site war für die AIP1-Funktion bedeutend, da sterische Hinderung eine Rolle spielen könnte. DdAip1 war weniger effektiv, wenn es am C-Terminus fusioniert war, während die Proteinfusionen der A. thaliana AIP1s je nach Position der „tags“ unterschiedliche Ergebnisse zeigten. Zusammenfassend retteten die fremden Proteine teilweise Phänotypen von mutierten Pflanzen und mutierten Amöben, obwohl die Organismen evolutionär weit entfernt verwandt sind.
KW  - actin
KW  - cell motility
KW  - plant growth
KW  - selection-linked integration
KW  - chemically induced dislocation
KW  - interspecies interchange
KW  - Aktin
KW  - Zellmotilität
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Selection-Linked Integration
KW  - chemisch-induzierte Dislokation
KW  - Austausch zwischen zwei Spezies
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628569
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dörries, Timo Julian
T1  - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models
N2  - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time.  We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the  mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is  accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting  bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD.  The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations.  Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu)  with 0<mu<1 and diverging mean immobilisation durations.  A fit of our model to the BTC of experimental data from tracer particles in aquifers matches the BTC including the power-law tail.  We use the fit parameters for plotting the displacement distributions and the MSD. We find Gaussian normal diffusion at short times and long-time power-law decay of mobile mass accompanied by anomalous diffusion at long times.  The long-time diffusion is subdiffusive in the advection-free setting, while it is either subdiffusive for 0<mu<1/2 or superdiffusive for 1/2<mu<1 when advection is present. In the long-time limit we show equivalence of our model to a bi-fractional diffusion equation.
N2  - In den Geowissenschaften wurde das 	"mobile-immobile model" (MIM) entwickelt, um den Transport von Verunreinigungen in Grundwässern zu beschreiben. Diese Verunreinigungen können in Sackgassenporen diffundieren oder an Oberflächen adsorbieren. Dabei bewegen sich die Verunreinigungen effektiv nicht. Der Grundgedanke des MIMs besteht darin, die Dichte der Verunreinigungen in eine Dichte aus mobilen Partikeln und eine Dichte aus immobilen Partikeln aufzuteilen. Jedes einzelne Teilchen der  Verunreinigung wechselt dabei zwischen dem mobilen Zustand, wo es diffundiert und sich durch Advektion bewegt und dem immobilen Zustand, wo es sich nicht bewegt. Je nach Zustand wird die Verunreinigung der mobilen oder der immobilen Dichte zugerechnet. Die Aufenthaltsdauern im mobilen und immobilen Zustand folgen jeweils einer Exponentialverteilung. Dies bedeutet, dass der Wechsel zwischen mobilen und immobilen Zustand durch einen Telegrafenprozess beschrieben werden kann. In den Geowissenschaften liegt der Fokus auf der "breakthrough curve" (BTC), was die Konzentrationskurve an einem festen Ort definiert. Der Grundgedanke dieser Arbeit besteht nun darin, das MIM auf biologische Systeme zu übertragen, wo beispielsweise Proteine zwischen einem diffusiven und einem immobilen Zustand wechseln. Dabei fokussieren wir uns auf Messgrößen, die üblicherweise in Experimenten mit einzelnen Molekülen oder Proteinen gemessen werden. Typische Messgrößen stellen die mittlere quadratische Verschiebung (MSD) und die Verschiebungsdichte dar, wobei wir besonderen Fokus auf nicht-lineare MSDs und nicht-Gaußsche Verteilungen legen. Als tragendes Beispiel für MIM in biologischen Systemen identifizieren wir Tau Proteine, welche in Nervenzellen diffundieren und für eine zufällige Dauer an Mikrotubuli binden, wobei sie effektiv unbeweglich werden. In der eindimensionalen Beschreibung des Systems sind die mittleren Bindungsdauern wesentlich länger als die durchschnittlichen Diffusionsdauern. Dadurch entsteht eine exponentielle Ortswahrscheinlichkeitsverteilung begleitet von einem Plateau im MSD auf mittleren Zeitskalen, wenn die Proteine zu Beginn alle mobil sind. Für eine Gleichgewichtsverteilung an mobilen Proteinen zu Beginn ist das MSD linear, wobei die Verteilung einer skalierten Laplaceverteilung entspricht. In anderen Systemen, wie beispielsweise biologischen Molekülen in Biosensoren, spielt Advektion eine wichtige Rolle. Das Plateau, welches wir im MSD für lange mittlere Immobilisierungsdauern finden, besteht auch mit Advektion. Zusätzlich finden wir ein neues Regime mit einem anomalen Skalierungsverhalten des MSDs. Dabei wächst das MSD kubisch unabhängig von der mittleren Immobilisierungsdauer, sofern die Advektionsgeschwindigkeit hinreichend groß ist. Für eine Gleichgewichtsverteilung an mobilen Molekülen finden wir ein ballistisches Regime im MSD. Das Langzeitverhalten vom MSD ist linear, wobei der effektive Diffusionskoeffizient durch Advektion verstärkt wird. Dieser Effekt ist in der Literatur bekannt. Wir bieten hier aber eine physikalische Erklärung über eine Kopplung der Advektion mit der Varianz der gesamten Aufenthaltsdauer im mobilen Zustand.  Abschließend erweitern wir das MIM, indem wir über exponentiell verteilte Immobilisierungsdauern hinausgehen und beliebige Verteilungen zulassen.  Das entsprechende Modell nennen wir extended MIM (EMIM).  Besonderen Fokus legen wir dabei auf eine Mittag-Leffler Verteilung, die sich  durch ein Potenzgesetz ~t^(-1-mu) mit 0<mu<1 für lange Immobilisierungsdauern auszeichnet. Solche Verteilungen werden in Experimenten gemessen. Das Potenzgesetz hat zur Folge, dass der Mittelwert divergiert.  Wir fitten EMIM zu einer BTC aus einem Experiment, in dem die Konzentration von fluoreszenter Farbe nach Durchlauf eines Grundwasserleiters gemessen wird.  Das gemessene Potenzgesetz der BTC kann durch MIM erklärt werden. Wir verwenden die erhaltenen Fitparameter, um das MSD und die Dichten darzustellen. Dabei finden wir ein lineares MSD mit Gaußscher Verteilung zu Beginn und eine nicht-Gaußsche Verteilung im Langzeitverhalten. Im Allgemeinen ist das MSD von EMIM mit der Mittag-Leffler Verteilung subdiffusiv im advektionsfreien Fall. Mit vorhandener Advektion finden wir Subdiffusion für 0<mu<1/2 und Superdiffusion für 1/2<mu<1. Im Langzeitlimes konvergiert EMIM zu einer bifraktionelen Diffusiongleichung.
KW  - anomalous diffusion
KW  - tau proteins
KW  - contaminant transport
KW  - mobile-immobile model (MIM)
KW  - anomale Diffusion
KW  - Schadstofftransport
KW  - mobile-immobile model (MIM)
KW  - Tau-Protein
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634959
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TY  - THES
A1  - Shaw, Vasundhara
T1  - Cosmic-ray transport and signatures in their local environment
N2  - The origin and structure of magnetic fields in the Galaxy are largely unknown. What is known is that they are essential for several astrophysical processes, in particular the propagation of cosmic rays. Our ability to describe the propagation of cosmic rays through the Galaxy is severely limited by the lack of observational data needed to probe the structure of the Galactic magnetic field on many different length scales. This is particularly true for modelling the propagation of cosmic rays into the Galactic halo, where our knowledge of the magnetic field is particularly poor.
In the last decade, observations of the Galactic halo in different frequency regimes have revealed the existence of out-of-plane bubble emission in the Galactic halo. In gamma rays these bubbles have been termed Fermi bubbles with a radial extent of ≈ 3 kpc and an azimuthal height of ≈ 6 kpc. The radio counterparts of the Fermi bubbles were seen by both the S-PASS telescopes and the Planck satellite, and showed a clear spatial overlap. The X-ray counterparts of the Fermi bubbles were named eROSITA bubbles after the eROSITA satellite, with a radial width of ≈ 7 kpc and an azimuthal height of ≈ 14 kpc. Taken together, these observations suggest the presence of large extended Galactic Halo Bubbles (GHB) and have stimulated interest in exploring the less explored Galactic halo.
In this thesis, a new toy model (GHB model) for the magnetic field and non-thermal electron distribution in the Galactic halo has been proposed. The new toy model has been used to produce polarised synchrotron emission sky maps. Chi-square analysis was used to compare the synthetic skymaps with the Planck 30 GHz polarised skymaps. The obtained constraints on the strength and azimuthal height were found to be in agreement with the S-PASS radio observations.
The upper, lower and best-fit values obtained from the above chi-squared analysis were used to generate three separate toy models. These three models were used to propagate ultra-high energy cosmic rays. This study was carried out for two potential sources, Centaurus A and NGC 253, to produce magnification maps and arrival direction skymaps. The simulated arrival direction skymaps were found to be consistent with the hotspots of Centaurus A and NGC 253 as seen in the observed arrival direction skymaps provided by the Pierre Auger Observatory (PAO).
The turbulent magnetic field component of the GHB model was also used to investigate the extragalactic dipole suppression seen by PAO. UHECRs with an extragalactic dipole were forward-tracked through the turbulent GHB model at different field strengths. The suppression in the dipole due to the varying diffusion coefficient from the simulations was noted. The results could also be compared with an analytical analogy of electrostatics. The simulations of the extragalactic dipole suppression were in agreement with similar studies carried out for galactic cosmic rays.
N2  - Unsere Galaxie wird ständig von hochenergetischen geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie bombardiert, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden und deren Ursprung nicht bekannt ist. Satelliten- und erdgestützte Messungen haben bisher ergeben, dass es in unserer Galaxie Beschleuniger für kosmische Strahlung gibt, z. B. die Überreste explodierender Sterne (Supernova-Überreste), aber bei den höchsten kosmischen Strahlungsenergien bleiben die Quellen ein Rätsel. Fortschritte zu erzielen ist eine Herausforderung, auch weil die kosmische Strahlung durch Magnetfelder abgelenkt wird, was bedeutet, dass die beobachtete Richtung mit der Richtung der Quelle übereinstimmen kann oder auch nicht. Unsere Galaxie weist starke Magnetfelder auf, deren Beschaffenheit noch nicht gut verstanden ist, insbesondere in der Komponente außerhalb der Scheibe (dem galaktischen Halo). Darüber hinaus haben Beobachtungen in den letzten zehn Jahren blasenartige Strukturen im galaktischen Halo mit enormen Gesamtenergien aufgedeckt, die auch als galaktische Halo-Blasen bezeichnet werden. All dies motiviert uns, den galaktischen Halo zu untersuchen.

In meiner Doktorarbeit schlagen wir ein neues, vereinfachtes Magnetfeldmodell für galaktische Halo-Blasen vor. Das Modell umfasst sowohl strukturierte als auch turbulente Komponenten des Magnetfelds. Das vereinfachte Modell wurde mit Beobachtungsdaten verglichen, um den am besten passenden Parametersatz zusammen mit den Unsicherheiten zu erhalten.

Ich untersuchte die Propagation der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung durch das vereinfachte Modell und untersuchte dessen Auswirkungen auf die Ankunftsrichtungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung für zwei potenzielle Quellen, Centaurus~A und NGC~253.

Außerdem habe ich sowohl numerisch als auch analytisch abgeschätzt, wie stark ein Dipol der extragalaktischen kosmischen Strahlung durch verschiedene Konfigurationen der turbulenten Magnetfelder des vereinfachten Modells unterdrückt wird.

Die Ergebnisse all dieser Arbeiten werden in dieser Arbeit im Detail vorgestellt.
KW  - galactic magnetic fields
KW  - synchrotron radiation
KW  - non-thermal radiation
KW  - ultra-high energy cosmic rays
KW  - cosmic ray propagation
KW  - Ausbreitung der kosmischen Strahlung
KW  - galaktische Magnetfelder
KW  - nicht-thermische Strahlung
KW  - Synchrotronstrahlung
KW  - ultrahochenergetische kosmische Strahlung
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620198
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TY  - THES
A1  - Aue, Lars
T1  - Cyclone impacts on sea ice in the Atlantic Arctic Ocean
T1  - Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean
N2  - The Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt. 

The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm. 

Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas. 
 
For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season.

Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role.
N2  - Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst.

Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist.

Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter.

Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt.  Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen.
KW  - Arctic
KW  - atmosphere
KW  - sea ice
KW  - cyclones
KW  - meteorology
KW  - Arktis
KW  - Atmosphäre
KW  - Meereis
KW  - Zyklone
KW  - Meteorologie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634458
SP  - VIII, 131
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TY  - THES
A1  - Sun, Bowen
T1  - Energy losses in low-offset organic solar cells
T1  - Energieverluste in organischen Solarzellen mit geringer Versetzung
BT  - from fundamental understanding to characterization considerations
BT  - von grundlegendem Verständnis bis zu Charakterisierungsüberlegungen
N2  - Organic solar cells (OSCs) represent a new generation of solar cells with a range of captivating attributes including low-cost, light-weight, aesthetically pleasing appearance, and flexibility. Different from traditional silicon solar cells, the photon-electron conversion in OSCs is usually accomplished in an active layer formed by blending two kinds of organic molecules (donor and acceptor) with different energy levels together.
The first part of this thesis focuses on a better understanding of the role of the energetic offset and each recombination channel on the performance of these low-offset OSCs. By combining advanced experimental techniques with optical and electrical simulation, the energetic offsets between CT and excitons, several important insights were achieved: 1. The short circuit current density and fill-factor of low-offset systems are largely determined by field-dependent charge generation in such low-offset OSCs. Interestingly, it is strongly evident that such field-dependent charge generation originates from a field-dependent exciton dissociation yield. 2. The reduced energetic offset was found to be accompanied by strongly enhanced bimolecular recombination coefficient, which cannot be explained solely by exciton repopulation from CT states. This implies the existence of another dark decay channel apart from CT. 
The second focus of the thesis was on the technical perspective. In this thesis, the influence of optical artifacts in differential absorption spectroscopy upon the change of sample configuration and active layer thickness was studied. It is exemplified and discussed thoroughly and systematically in terms of optical simulations and experiments, how optical artifacts originated from non-uniform carrier profile and interference can manipulate not only the measured spectra, but also the decay dynamics in various measurement conditions. In the end of this study, a generalized methodology based on an inverse optical transfer matrix formalism was provided to correct the spectra and decay dynamics manipulated by optical artifacts.
Overall, this thesis paves the way for a deeper understanding of the keys toward higher PCEs in low-offset OSC devices, from the perspectives of both device physics and characterization techniques.
N2  - Organische Solarzellen (OSZ) repräsentieren eine neue Generation von Solarzellen mit einer Vielzahl faszinierender Eigenschaften, darunter geringe Kosten, geringes Gewicht, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und Flexibilität. Im Gegensatz zu traditionellen Silizium-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photonen in Elektronen in OSZ in der Regel in einer aktiven Schicht, die durch das Mischen von zwei Arten organischer Moleküle (Donator und Akzeptor) mit unterschiedlichen Energieniveaus gebildet wird.

Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ein besseres Verständnis der Rolle des energetischen Versatzes und jedes Rekombinationskanals auf die Leistung dieser OSCs mit geringem Versatz. Durch die Kombination fortschrittlicher experimenteller Techniken mit optischer und elektrischer Simulation wurden wichtige Erkenntnisse über die energetischen Versätze zwischen CT und Exzitonen erlangt: 1. Die Stromdichte im Kurzschluss und der Füllfaktor von Systemen mit geringem Versatz werden weitgehend durch feldabhängige Ladungsgenerierung in solchen OSZ mit geringem Versatz bestimmt. Interessanterweise ist deutlich erkennbar, dass eine feldabhängige Ladungsgenerierung aus einer feldabhängigen Exzitonen-Dissociationsausbeute resultiert. 2. Der reduzierte energetische Versatz geht mit einem stark erhöhten bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einher, der nicht allein durch die Wiederbevölkerung von Exzitonen aus CT-Zuständen erklärt werden kann. Dies deutet auf die Existenz eines anderen dunklen Zerfallsweges neben CT hin.

Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der technischen Perspektive. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von optischen Artefakten in der differentiellen Absorptionsspektroskopie auf die Änderung der Probekonfiguration und der aktiven Schichtdicke untersucht. Es wird anhand optischer Simulationen und Experimente ausführlich und systematisch dargelegt und diskutiert, wie optische Artefakte, die durch ein nicht gleichmäßiges Ladungsprofil und Interferenzen verursacht werden, nicht nur die gemessenen Spektren, sondern auch die Zerfalldynamik in verschiedenen Messbedingungen manipulieren können. Am Ende dieser Studie wurde eine generalisierte Methodik auf Basis eines inversen optischen Übertragungsmatrixformalismus bereitgestellt, um die durch optische Artefakte manipulierten Spektren und Zerfalldynamiken zu korrigieren.

Insgesamt ebnet diese Arbeit den Weg für ein tieferes Verständnis der Schlüsselaspekte für höhere Wirkungsgrade in OSZ mit geringem Versatz, sowohl aus Sicht der Gerätephysik als auch der Charakterisierungstechniken.
KW  - organic solar cell
KW  - organische Solarzelle
KW  - non-fullerene acceptors
KW  - Nicht-Fulleren-Akzeptoren
KW  - charge generation
KW  - Ladungsgenerierung
KW  - exciton dissociation
KW  - Exziton-Dissoziation
KW  - cavity effects
KW  - Hohlraumeffekte
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621430
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TY  - THES
A1  - Schröder, Jakob
T1  - Fundamentals of diffraction-based residual stress and texture analysis of laser powder bed fused Inconel 718
T1  - Grundlagen der beugungsbasierten Eigenspannungs- und Texturanalyse von laserstrahlgeschmolzenem Inconel 718
N2  - Additive manufacturing (AM) processes enable the production of metal structures with exceptional design freedom, of which laser powder bed fusion (PBF-LB) is one of the most common. In this process, a laser melts a bed of loose feedstock powder particles layer-by-layer to build a structure with the desired geometry. During fabrication, the repeated melting and rapid, directional solidification create large temperature gradients that generate large thermal stress. This thermal stress can itself lead to cracking or delamination during fabrication. More often, large residual stresses remain in the final part as a footprint of the thermal stress. This residual stress can cause premature distortion or even failure of the part in service. Hence, knowledge of the residual stress field is critical for both process optimization and structural integrity.
Diffraction-based techniques allow the non-destructive characterization of the residual stress fields. However, such methods require a good knowledge of the material of interest, as certain assumptions must be made to accurately determine residual stress. First, the measured lattice plane spacings must be converted to lattice strains with the knowledge of a strain-free material state. Second, the measured lattice strains must be related to the macroscopic stress using Hooke's law, which requires knowledge of the stiffness of the material. Since most crystal structures exhibit anisotropic material behavior, the elastic behavior is specific to each lattice plane of the single crystal. Thus, the use of individual lattice planes in monochromatic diffraction residual stress analysis requires knowledge of the lattice plane-specific elastic properties. In addition, knowledge of the microstructure of the material is required for a reliable assessment of residual stress. 
This work presents a toolbox for reliable diffraction-based residual stress analysis. This is presented for a nickel-based superalloy produced by PBF-LB. First, this work reviews the existing literature in the field of residual stress analysis of laser-based AM using diffraction-based techniques. Second, the elastic and plastic anisotropy of the nickel-based superalloy Inconel 718 produced by PBF-LB is studied using in situ energy dispersive synchrotron X-ray and neutron diffraction techniques. These experiments are complemented by ex situ material characterization techniques. These methods establish the relationship between the microstructure and texture of the material and its elastic and plastic anisotropy. Finally, surface, sub-surface, and bulk residual stress are determined using a texture-based approach. Uncertainties of different methods for obtaining stress-free reference values are discussed.
The tensile behavior in the as-built condition is shown to be controlled by texture and cellular sub-grain structure, while in the heat-treated condition the precipitation of strengthening phases and grain morphology dictate the behavior. In fact, the results of this thesis show that the diffraction elastic constants depend on the underlying microstructure, including texture and grain morphology. For columnar microstructures in both as-built and heat-treated conditions, the diffraction elastic constants are best described by the Reuss iso-stress model. Furthermore, the low accumulation of intergranular strains during deformation demonstrates the robustness of using the 311 reflection for the diffraction-based residual stress analysis with columnar textured microstructures. The differences between texture-based and quasi-isotropic approaches for the residual stress analysis are shown to be insignificant in the observed case. However, the analysis of the sub-surface residual stress distributions show, that different scanning strategies result in a change in the orientation of the residual stress tensor. Furthermore, the location of the critical sub-surface tensile residual stress is related to the surface roughness and the microstructure. Finally, recommendations are given for the diffraction-based determination and evaluation of residual stress in textured additively manufactured alloys.
N2  - Additive Fertigungsverfahren (AM) ermöglichen die Herstellung von Metallstrukturen mit außergewöhnlicher Gestaltungsfreiheit, wobei das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) eines der gängigsten dieser Verfahren darstellt. In diesem Verfahren schmilzt ein Laser ein Pulverbett schichtweise auf, um ein Bauteil mit der gewünschten Geometrie zu erzeugen. Während der Fertigung kommt es aufgrund des wiederholten Aufschmelzens und der schnellen, gerichteten Erstarrung zu hohen Temperaturgradienten, die hohe thermische Spannungen erzeugen. Einerseits können diese thermischen Spannungen während des Fertigungsprozesses zur Rissbildung oder zur Ablösung des Bauteils führen. Häufiger jedoch verbleiben große Eigenspannungen im gefertigten Bauteil als Folge der thermischen Spannungen. Diese Eigenspannungen begünstigen die Verzerrung der Bauteile und können sogar ihr vorzeitiges Versagen im Betrieb verursachen. Daher ist die Kenntnis der Eigenspannungsverteilung im Bauteil sowohl für die Prozessoptimierung als auch die strukturelle Integrität bedeutend.
Beugungsbasierte Verfahren ermöglichen die zerstörungsfreie Bestimmung des Eigenspannungsfeldes. Diese Verfahren erfordern jedoch eine vorhergehende Kenntnis der Materialeigenschaften, da gewisse Annahmen getroffen werden müssen, um die Eigenspannungen genau bestimmen zu können. Zunächst müssen aus den gemessenen Abständen der Gitterebenen Gitterdehnungen berechnet werden, wozu der dehnungsfreie Referenzzustand bekannt sein muss. Weiterhin müssen die Gitterdehnungen über das Hookesche Gesetz, unter Bezugnahme der elastischen Eigenschaften, in Spannungen überführt werden. Da die meisten Kristallstrukturen durch ein anisotropes Verhalten gekennzeichnet sind, ist ihr elastisches Verhalten für jede Gitterebene spezifisch. Deshalb bedarf es bei der Nutzung monochromatischer Strahlung zur beugungsbasierten Eigenspannungsbestimmung der Kenntnis der gitterebenenspezifischen elastischen Eigenschaften. Zusätzlich ist das Wissen über die Mikrostruktur des Materials unabdingbar für eine zuverlässige Bestimmung der Eigenspannungen.
Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Reihe von Bedingungen, die für eine zuverlässige beugungsbasierte Eigenspannungsanalyse notwendig sind. Dies wird exemplarisch an einer mittels PBF-LB gefertigten Nickelbasis Superlegierung gezeigt. Einleitend wird ein Überblick der Literatur im Bereich der beugungsbasierten Eigenspannungsanalyse mit Bezug zur additiven Fertigung gegeben. Anschließend wird die elastische und plastische Anisotropie der mittels PBF-LB gefertigten Nickelbasis Superlegierung Inconel 718 durch in situ energiedispersive Synchrotron Röntgen- und Neutronenbeugung charakterisiert. Diese Methoden werden durch ex situ Untersuchungsverfahren ergänzt. So wird die Beziehung zwischen der Mikrostruktur und der Textur zur elastischen und plastischen Anisotropie hergestellt. Abschließend werden die Oberflächen-, oberflächennahen-, sowie Volumeneigenspannungen in einem texturbasierten Ansatz bestimmt. Dabei werden Unsicherheiten verschiedener Methoden zur Bestimmung der spannungsfreien Referenz diskutiert.
Das mechanische Verhalten unter Zugbelastung des as-built Zustandes ist dabei durch die Textur und die zelluläre Substruktur bedingt, während es im wärmebehandelten Zustand vom Ausscheidungszustand und der geänderten Kornmorphologie bestimmt wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die diffraktionselastischen Konstanten von der zugrundeliegenden Mikrostruktur abhängen. Für die kolumnaren Mikrostrukturen, egal ob im as-built oder wärmebehandeltem Zustand, werden die diffraktionselastischen Konstanten am besten durch die Reuss Annahme homogener Spannung beschrieben. Darüber hinaus zeigt die geringe Akkumulation intergranularer Dehnung des 311 Reflexes seine Robustheit für die beugungsbasierte Eigenspannungsanalyse. Im vorhandenen Fall ist der Unterschied zwischen texturbasierten und quasiisotropen Ansätzen zur Eigenspannungsanalyse unbedeutend. Oberflächennahe Eigenspannungsanalysen zeigen jedoch, dass verschiedene Scanstrategien zu einer Änderung in der Ausrichtung des Eigenspannungstensors führen. Weiterhin zeigt die Lage der kritischen oberflächennahen Zugeigenspannungen eine Abhängigkeit zur Oberflächenrauheit und dem Gefüge. Abschließend werden Empfehlungen zur beugungsbasierten Ermittlung und Bewertung von Eigenspannungen in texturierten additiv gefertigten Legierungen gegeben.
KW  - residual stress
KW  - diffraction
KW  - texture
KW  - mechanical behavior
KW  - in-situ testing
KW  - laser powder bed fusion
KW  - additive manufacturing
KW  - electron backscatter diffraction
KW  - diffraction elastic constants
KW  - Inconel 718
KW  - Inconel 718
KW  - additive Fertigung
KW  - Diffraktion
KW  - diffraktionselastische Konstanten
KW  - Elektronenrückstreubeugung
KW  - In-situ Experimente
KW  - Laserstrahlschmelzen
KW  - mechanisches Verhalten
KW  - Eigenspannung
KW  - Textur
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621972
ER  - 
TY  - THES
A1  - Littmann, Daniela-Christin
T1  - Large eddy simulations of the Arctic boundary layer around the MOSAiC drift track
T1  - Large-Eddy-Simulationen der arktischen Grenzschicht um die MOSAiC-Driftroute
N2  - The icosahedral non-hydrostatic large eddy model (ICON-LEM) was applied around the drift track of the Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 and 2020. The model was set up with horizontal grid-scales between 100m and 800m on areas with radii of 17.5km and 140 km. At its lateral boundaries, the model was driven by analysis data from the German Weather Service (DWD), downscaled by ICON in limited area mode (ICON-LAM) with horizontal grid-scale of 3 km.
The aim of this thesis was the investigation of the atmospheric boundary layer near the surface in the central Arctic during polar winter with a high-resolution mesoscale model. The default settings in ICON-LEM prevent the model from representing the exchange processes in the Arctic boundary layer in accordance to the MOSAiC observations. The implemented sea-ice scheme in ICON does not include a snow layer on sea-ice, which causes a too slow response of the sea-ice surface temperature to atmospheric changes. To allow the sea-ice surface to respond faster to changes in the atmosphere, the implemented sea-ice parameterization in ICON was extended with an adapted heat capacity term.
The adapted sea-ice parameterization resulted in better agreement with the MOSAiC observations. However, the sea-ice surface temperature in the model is generally lower than observed due to biases in the downwelling long-wave radiation and the lack of complex surface structures, like leads. The large eddy resolving turbulence closure yielded a better representation of the lower boundary layer under strongly stable stratification than the non-eddy-resolving turbulence closure. Furthermore, the integration of leads into the sea-ice surface reduced the overestimation of the sensible heat flux for different weather conditions.
The results of this work help to better understand boundary layer processes in the central Arctic during the polar night. High-resolving mesoscale simulations are able to represent temporally and spatially small interactions and help to further develop parameterizations also for the application in regional and global models.
N2  - Das icosahedral non-hydrostatische large eddy model (ICON-LEM) wurde entlang des Driftweges des Multidisciplinary Observatory Study of the Arctic (MOSAiC) in 2019 und 20 angewendet. Das Modell nutzte horizontale Gitterauflösungen zwischen 100m und 800m auf Gebieten mit Durchmessern von 17.5km und 140 km. An den seitlichen Rändern wurde das Modell mit Analysedaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben, welche mit ICON im limited area mode (ICON-LAM) mit einer horizontalen Auflösung von 3km herunterskaliert wurden.
Ziel dieser Arbeit war es, die flache atmosphärische Grenzschicht in der zentralen Arktis während des polaren Winters mit einem hochauflösenden mesoskaligen Modell zu untersuchen. Die standardmäßigen Einstellungen in ICON-LEM machen es dem Modell unmöglich, die wechselwirkenden Austauschprozesse in der arktischen Grenzschicht gemäß der MOSAiC Beobachtungen abzubilden. Das implementierte Meereis-Schema in ICON beinhaltet keine Schneeschicht auf dem Meereis, was eine zu große Verzögerung der Meereisoberflächentemperatur auf atmosphärische Veränderungen bewirkt. Um die Meereisfläche schneller auf Änderungen in der Atmosphäre reagieren lassen zu können, wurde die bestehende Meereisparameterisierung in ICON um einen angepasstenWärmekapazitätsterm erweitert.
Die angepasste Meereis-Parameterisierung stimmte besser mit den MOSAiC Beobachtungen überein. Allerdings ist die Meereisoberflächentemperatur im Modell aufgrund der fehlerbehafteten einfallenden, langwelligen Strahlung und dem Fehlen komplexer Oberflächenstrukturen im Meereis generell niedriger als beobachtet. Die groß-wirbellige Turbulenz-Schliessung wird der Darstellung der unteren Grenschicht während starker stabiler Schichtung besser gerecht als die Nicht-Wirbel-auflösende Turbulenz-Schließung. Desweiteren reduzierte die Integration der Risse in der Meereisoberfläche die Abweichung der sensiblen Wärme für verschiedene Wetterzustände.
Die Ergebnisse dieser Arbeit helfen die Grenzschicht-Prozesse in der zentralen Arktis während der polaren Nacht besser zu verstehen. Hochauflösende mesoskalige Simulationen ermöglichen die Repräsentation zeitlicher und räumlicher klein-skaliger Wechselwirkungen und bestehende Parametrisierungen auch für regionale und globale Modelle weiterzuentwickeln.
KW  - Arctic
KW  - atmosphere
KW  - atmospheric science
KW  - high resolution
KW  - boundary layer
KW  - stable stratification
KW  - heat flux
KW  - heat capacity
KW  - Arktis
KW  - Atmosphäre
KW  - Atmosphärenforschung
KW  - hohe Auflösung
KW  - Grenzschicht
KW  - stabile Schichtung
KW  - Wärmefluss
KW  - Wärmekapazität
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-624374
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TY  - THES
A1  - Gostkowska-Lekner, Natalia Katarzyna
T1  - Organic-inorganic hybrids based on P3HT and mesoporous silicon for thermoelectric applications
T1  - Organisch-anorganische Hybride basierend auf P3HT und porösem Silizium für thermoelektrische Anwendungen
N2  - This thesis presents a comprehensive study on synthesis, structure and thermoelectric transport properties of organic-inorganic hybrids based on P3HT and porous silicon. The effect of embedding polymer in silicon pores on the electrical and thermal transport is studied. Morphological studies confirm successful polymer infiltration and diffusion doping with roughly 50% of the pore space occupied by conjugated polymer. Synchrotron diffraction experiments reveal no specific ordering of the polymer inside the pores. P3HT-pSi hybrids show improved electrical transport by five orders of magnitude compared to porous silicon and power factor values comparable or exceeding other P3HT-inorganic hybrids. The analysis suggests different transport mechanisms in both materials. In pSi, the transport mechanism relates to a Meyer-Neldel compansation rule. The analysis of hybrids' data using the power law in Kang-Snyder model suggests that a doped polymer mainly provides charge carriers to the pSi matrix, similar to the behavior of a doped semiconductor. Heavily suppressed thermal transport in porous silicon is treated with a modified Landauer/Lundstrom model and effective medium theories, which reveal that pSi agrees well with the Kirkpatrick model with a 68% percolation threshold. Thermal conductivities of hybrids show an increase compared to the empty pSi but the overall thermoelectric figure of merit ZT of P3HT-pSi hybrid exceeds both pSi and P3HT as well as bulk Si.
N2  - Diese Arbeit präsentiert eine umfassende Studie über Synthese, Struktur und thermoelektrische Transporteigenschaften von organisch-anorganischen Hybriden basierend auf P3HT und porösem Silizium. Es wird die Auswirkung der Einbettung von Polymerin Siliziumporen auf den elektrischen und thermischen Transport untersucht. Morphologische Studien bestätigen eine erfolgreiche Polymerinfiltration und Diffusionsdotierung, wobei etwa 50% des Porenraums mit konjugiertem Polymer gefüllt sind. Synchrotronexperimente zeigen keine spezifische Ordnung des Polymers innerhalb der Poren. P3HT-pSi-Hybride zeigen einen um fünf Größenordnungen verbesserten elektrischen Transport im Vergleich zu porösem Silizium und sogenannte Powerfaktoren, die mit anderen P3HT-anorganischen Hybriden vergleichbar sind oder diese übertreffen. Die Analyse lässt auf unterschiedliche Transportmechanismen in beiden Materialien schließen. In pSi bezieht sich der Transportmechanismus auf eine Meyer-Neldel-{Kompensa\-tionsregel}. Die Analyse der Hybriddaten unter Verwendung des Potenzgesetzes im Kang-Snyder-Modell legt nahe, dass ein dotiertes Polymer hauptsächlich Ladungsträger für die pSi-Matrix bereitstellt, ähnlich dem Verhalten eines {dotier\-ten} Halbleiters. Der stark unterdrückte Wärmetransport in porösem Silizium wird mit einem modifizierten Landauer/Lundstrom-Modell und Effektivmediumtheorien behandelt, die zeigen, dass pSi mit einem Perkolationsschwellenwert von 68% gut mit dem Kirkpatrick-Modell übereinstimmt. Die {Wärmeleitfähigkei\-ten} von Hybriden zeigen einen Anstieg im Vergleich zum leeren pSi, aber der gesamte thermoelektrische Gütefaktor ZT des P3HT-pSi-Hybrids übertrifft sowohl pSi und P3HT als auch den von Bulk-Si.
KW  - physics
KW  - energy
KW  - thermoelectricity
KW  - organic-inorganic hybrids
KW  - Energie
KW  - organisch-anorganische Hybride
KW  - Physik
KW  - Thermoelektrizität
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620475
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TY  - THES
A1  - Alawashra, Mahmoud
T1  - Plasma instabilities of TeV pair beams induced by blazars
T1  - Plasma Instabilitäten von TeV-Paar Strahlen durch Blazare induziert
N2  - Relativistic pair beams produced in the cosmic voids by TeV gamma rays from blazars are expected to produce a detectable GeV-scale cascade emission missing in the observations. The suppression of this secondary cascade implies either the deflection of the pair beam by intergalactic magnetic fields (IGMFs) or an energy loss of the beam due to the electrostatic beam-plasma instability. IGMF of femto-Gauss strength is sufficient to significantly deflect the pair beams reducing the flux of secondary cascade below the observational limits. A similar flux reduction may result in the absence of the IGMF from the beam energy loss by the instability before the inverse Compton cooling. This dissertation consists of two studies about the instability role in the evolution of blazar-induced beams.
Firstly, we investigated the effect of sub-fG level IGMF on the beam energy loss by the instability. Considering IGMF with correlation lengths smaller than a few kpc, we found that such fields increase the transverse momentum of the pair beam particles, dramatically reducing the linear growth rate of the electrostatic instability and hence the energy-loss rate of the pair beam. Our results show that the IGMF eliminates beam plasma instability as an effective energy-loss agent at a field strength three orders of magnitude below that needed to suppress the secondary cascade emission by magnetic deflection. For intermediate-strength IGMF, we do not know a viable process to explain the observed absence of GeV-scale cascade emission and hence can be excluded.
Secondly, we probed how the beam-plasma instability feeds back on the beam, using a realistic two-dimensional beam distribution. We found that the instability broadens the beam opening angles significantly without any significant energy loss, thus confirming a recent feedback study on a simplified one-dimensional beam distribution. However, narrowing diffusion feedback of the beam particles with Lorentz factors less than 1e6 might become relevant even though initially it is negligible. Finally, when considering the continuous creation of TeV pairs, we found that the beam distribution and the wave spectrum reach a new quasi-steady state, in which the scattering of beam particles persists and the beam opening angle may increase by a factor of hundreds. This new intrinsic scattering of the cascade can result in time delays of around ten years, thus potentially mimicking the IGMF deflection. Understanding the implications on the GeV cascade emission requires accounting for inverse Compton cooling and simulating the beam-plasma system at different points in the IGM.
N2  - Relativistische Teilchenstrahlen, erzeugt in den Weiten des Weltraums durch TeV- Gammastrahlen von Blazaren, sollen eine Art von Emission im GeV-Bereich erzeugen. Diese Emission wurde jedoch bisher nicht beobachtet. Der Grund für diese fehlende Emission könnte eine von zwei Ursachen sein: Entweder werden die Teilchenstrahlen von den Magnetfeldern im Weltraum (den sogenannten intergalaktischen Magnetfeldern oder IGMFs) umgeleitet, oder die Strahlen verlieren ihre Energie aufgrund einer Art von Instabilität namens Strahlungs-Plasma-Instabilität. Wenn die IGMFs extrem schwach sind (im Femto-Gauss-Bereich gemessen), können sie dennoch eine große Wirkung auf die Teilchenstrahlen haben, indem sie diese von ihrem Kurs abbringen und die Menge der fehlenden Emission verringern. Andererseits kann die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Energieverluste der Strahlen verursachen, wenn es keine IGMFs gibt.
Diese Forschung besteht aus zwei Studien. In der ersten Studie haben Wissenschaftler erforscht, wie schwache IGMFs den Energieverlust der Strahlen aufgrund von Instabilität beeinflussen. Sie stellten fest, dass diese schwachen Felder den Impuls der Teilchenstrahlen erheblich verändern können, was den Energieverlust aufgrund der Instabilität erheblich verlangsamt. Dies bedeutet, dass selbst extrem schwache IGMFs die Strahlungs Plasma-Instabilität unwirksam machen können, wenn es darum geht, Energieverluste zu verursachen.
In der zweiten Studie haben sie untersucht, wie die Strahlungs-Plasma-Instabilität die Teilchenstrahlen beeinflusst. Sie entdeckten, dass die Instabilität den Winkel der Strahlen erweitert, ohne signifikante Energieverluste zu verursachen. Im Laufe der Zeit könnten jedoch Partikel mit niedrigeren Energien anfangen, Energie zu verlieren. Wenn man die kontinuierliche Erzeugung von hochenergetischen Teilchen berücksichtigt, stellten sie fest, dass die Verteilung der Strahlen und das Wellenspektrum schließlich einen stabilen Zustand erreichen, in dem die Partikel weiterhin gestreut werden und der Strahlenwinkel sich erheblich vergrößern kann. Diese intrinsische Streuung der Emission kann Zeitspannen verursachen, die es so aussehen lassen, als ob die IGMFs die Emission umlenken. Um die Auswirkungen auf die fehlende GeV-Emission vollständig zu verstehen, müssen Wissenschaftler Faktoren wie inverse-Compton-Kühlung berücksichtigen und die Wechselwirkung zwischen den Teilchenstrahlen und dem umgebenden Plasma an verschiedenen Stellen im Weltraum simulieren.
KW  - gamma rays: general
KW  - instabilities
KW  - blazar
KW  - relativistic processes
KW  - waves
KW  - Blazar
KW  - Gammastrahlen: allgemein
KW  - Instabilitäten
KW  - relativistische Prozesse
KW  - Wellen
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630131
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TY  - THES
A1  - Ketzer, Laura
T1  - The impact of stellar activity evolution on atmospheric mass loss of young exoplanets
T1  - Der Einfluss der stellaren Aktivitätsentwicklung auf den atmosphärischen Massenverlust von jungen Exoplaneten
N2  - The increasing number of known exoplanets raises questions about their demographics and the mechanisms that shape planets into how we observe them today. Young planets in close-in orbits are exposed to harsh environments due to the host star being magnetically highly active, which results in high X-ray and extreme UV fluxes impinging on the planet. Prolonged exposure to this intense photoionizing radiation can cause planetary atmospheres to heat up, expand and escape into space via a hydrodynamic escape process known as photoevaporation. For super-Earth and sub-Neptune-type planets, this can even lead to the complete erosion of their primordial gaseous atmospheres. A factor of interest for this particular mass-loss process is the activity evolution of the host star. Stellar rotation, which drives the dynamo and with it the magnetic activity of a star, changes significantly over the stellar lifetime. This strongly affects the amount of high-energy radiation received by a planet as stars age. At a young age, planets still host warm and extended envelopes, making them particularly susceptible to atmospheric evaporation. Especially in the first gigayear, when X-ray and UV levels can be 100 - 10,000 times higher than for the present-day sun, the characteristics of the host star and the detailed evolution of its high-energy emission are of importance.
In this thesis, I study the impact of stellar activity evolution on the high-energy-induced atmospheric mass loss of young exoplanets. The PLATYPOS code was developed as part of this thesis to calculate photoevaporative mass-loss rates over time. The code, which couples parameterized planetary mass-radius relations with an analytical hydrodynamic escape model, was used, together with Chandra and eROSITA X-ray observations, to investigate the future mass loss of the two young multiplanet systems V1298 Tau and K2-198. Further, in a numerical ensemble study, the effect of a realistic spread of activity tracks on the small-planet radius gap was investigated for the first time. The works in this thesis show that for individual systems, in particular if planetary masses are unconstrained, the difference between a young host star following a low-activity track vs. a high-activity one can have major implications: the exact shape of the activity evolution can determine whether a planet can hold on to some of its atmosphere, or completely loses its envelope, leaving only the bare rocky core behind. For an ensemble of simulated planets, an observationally-motivated distribution of activity tracks does not substantially change the final radius distribution at ages of several gigayears. My simulations indicate that the overall shape and slope of the resulting small-planet radius gap is not significantly affected by the spread in stellar activity tracks. However, it can account for a certain scattering or fuzziness observed in and around the radius gap of the observed exoplanet population.
N2  - Die steigende Anzahl bekannter Exoplaneten wirft Fragen zu ihrer Demografie und den Mechanismen auf, die Planeten in ihre heutige beobachtete Form bringen. Junge Planeten, die sehr nah um ihren Wirtsstern kreisen, sind extremen Umgebungen ausgesetzt, da der Stern eine hohe magnetische Aktivität aufweist. Das führt wiederum dazu, dass der Planet einer enormen Röntgen- und Extrem-UV-Strahlung ausgesetzt ist. Ist der Planet über einen längeren Zeitraum dieser intensiven photoionisierenden Strahlung ausgesetzt, kann dies dazu führen, dass Planetenatmosphären sich aufheizen, ausdehnen und durch einen hydrodynamischen Entweichungsprozess namens Photoevaporation ins All entweichen, sozusagen verdampfen. Bei Planeten, in der Größenordnung von Super-Erden und Sub-Neptunen, kann dies sogar zur vollständigen Erosion ihrer Ur-Atmosphären führen. Ein interessanter Faktor, der für diesen  Massenverlustprozess eine Rolle spielt, ist die Aktivitätsentwicklung des Wirtssterns. Die Rotation eines Sterns, die den Dynamo und damit die magnetische Aktivität antreibt, ändert sich im Laufe der Lebensdauer eines Sterns erheblich. Dies hat einen starken Einfluss auf die Menge der hochenergetischen Strahlung, den ein Planet mit zunehmendem Alter des Sterns empfängt. In jungen Jahren besitzen Planeten noch warme und ausgedehnte Hüllen, was sie besonders anfällig für atmosphärische Verdunstung macht. Insbesondere in den ersten Gigajahren, wenn die Röntgen- und UV-Strahlung 100 - 10,000 Mal höher sein kann als bei der heutigen Sonne, sind die Eigenschaften des Wirtssterns und die detaillierte Entwicklung seiner hochenergetischen Emission von Bedeutung.

In dieser Arbeit untersuche ich die Auswirkungen der Entwicklung der stellaren Aktivität auf den durch hochenergetische Strahlung verursachten atmosphärischen Massenverlust junger Exoplaneten. Der PLATYPOS-Code wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, um die photoevaporativen Massenverlustraten für verschiedene stellare Alter zu berechnen. Der Code verknüpft parametrisierte Planetenmasse-Radius-Beziehungen mit einem analytischen Modell für den hydrodynamischen Massenverlust. Er wurde zusammen mit Chandra- und eROSITA-Röntgenbeobachtungen dazu verwendet, den zukünftigen Massenverlust der beiden jungen Mehrplanetensysteme V1298 Tau und K2-198 zu untersuchen. Darüber hinaus wurde in einer numerischen Ensemblestudie erstmals der Effekt einer realistischen Verteilung von stellaren Aktivitäts-Tracks auf das sogenannte Radius-Tal bei kleinen Planeten untersucht. Die Arbeiten in dieser Dissertation zeigen, dass für einzelne Systeme, insbesondere wenn die Planetenmassen unbestimmt sind, der Unterschied zwischen einem jungen Wirtsstern, der einem Track mit niedriger Aktivität gegenüber einem solchen mit hoher Aktivität folgt, gravierende Auswirkungen haben kann: Die genaue Form der Aktivitätsentwicklung kann darüber entscheiden, ob ein Planet einen Teil seiner Atmosphäre behält oder seine Hülle vollständig verliert und nur den nackten Gesteinskern behält. Für ein Ensemble von simulierten Planeten ändert eine durch Beobachtungen motivierte Verteilung von Aktivitäts-Tracks die endgültige Radiusverteilung der Planeten nach mehreren Gigajahren nicht wesentlich. Meine Simulationen deuten darauf hin, dass die Form und Steigung des sich ergebenden Radius-Tals bei Kleinplaneten nicht wesentlich von der Streuung der stellaren Aktivitäts-Tracks beeinflusst wird. Eine gewisse Streuung oder Unschärfe im Radius-Tal der beobachteten Exoplanetenpopulation kann damit allerdings durchaus erklärt werden.
KW  - Exoplaneten
KW  - star-planet interaction
KW  - stellar physics
KW  - exoplanets
KW  - exoplanet atmospheres
KW  - Sternphysik
KW  - Stern-Planeten-Wechselwirkung
KW  - Exoplanetenatmosphären
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626819
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