TY - THES A1 - Weger Coenen, Lindsey T1 - Exploring potential impacts from transitions in German and European energy on GHG and air pollutant emissions and on ozone air quality N2 - Energy is at the heart of the climate crisis—but also at the heart of any efforts for climate change mitigation. Energy consumption is namely responsible for approximately three quarters of global anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Therefore, central to any serious plans to stave off a climate catastrophe is a major transformation of the world's energy system, which would move society away from fossil fuels and towards a net-zero energy future. Considering that fossil fuels are also a major source of air pollutant emissions, the energy transition has important implications for air quality as well, and thus also for human and environmental health. Both Europe and Germany have set the goal of becoming GHG neutral by 2050, and moreover have demonstrated their deep commitment to a comprehensive energy transition. Two of the most significant developments in energy policy over the past decade have been the interest in expansion of shale gas and hydrogen, which accordingly have garnered great interest and debate among public, private and political actors. In this context, sound scientific information can play an important role by informing stakeholder dialogue and future research investments, and by supporting evidence-based decision-making. This thesis examines anticipated environmental impacts from possible, relevant changes in the European energy system, in order to impart valuable insight and fill critical gaps in knowledge. Specifically, it investigates possible future shale gas development in Germany and the United Kingdom (UK), as well as a hypothetical, complete transition to hydrogen mobility in Germany. Moreover, it assesses the impacts on GHG and air pollutant emissions, and on tropospheric ozone (O3) air quality. The analysis is facilitated by constructing emission scenarios and performing air quality modeling via the Weather Research and Forecasting model coupled with chemistry (WRF-Chem). The work of this thesis is presented in three research papers. The first paper finds that methane (CH4) leakage rates from upstream shale gas development in Germany and the UK would range between 0.35% and 1.36% in a realistic, business-as-usual case, while they would be significantly lower - between 0.08% and 0.15% - in an optimistic, strict regulation and high compliance case, thus demonstrating the value and potential of measures to substantially reduce emissions. Yet, while the optimistic case is technically feasible, it is unlikely that the practices and technologies assumed would be applied and accomplished on a systematic, regular basis, owing to economics and limited monitoring resources. The realistic CH4 leakage rates estimated in this study are comparable to values reported by studies carried out in the US and elsewhere. In contrast, the optimistic rates are similar to official CH4 leakage data from upstream gas production in Germany and in the UK. Considering that there is a lack of systematic, transparent and independent reports supporting the official values, this study further highlights the need for more research efforts in this direction. Compared with national energy sector emissions, this study suggests that shale gas emissions of volatile organic compounds (VOCs) could be significant, though relatively insignificant for other air pollutants. Similar to CH4, measures could be effective for reducing VOCs emissions. The second paper shows that VOC and nitrogen oxides (NOx) emissions from a future shale gas industry in Germany and the UK have potentially harmful consequences for European O3 air quality on both the local and regional scale. The results indicate a peak increase in maximum daily 8-hour average O3 (MDA8) ranging from 3.7 µg m-3 to 28.3 µg m-3. Findings suggest that shale gas activities could result in additional exceedances of MDA8 at a substantial percentage of regulatory measurement stations both locally and in neighboring and distant countries, with up to circa one third of stations in the UK and one fifth of stations in Germany experiencing additional exceedances. Moreover, the results reveal that the shale gas impact on the cumulative health-related metric SOMO35 (annual Sum of Ozone Means Over 35 ppb) could be substantial, with a maximum increase of circa 28%. Overall, the findings suggest that shale gas VOC emissions could play a critical role in O3 enhancement, while NOx emissions would contribute to a lesser extent. Thus, the results indicate that stringent regulation of VOC emissions would be important in the event of future European shale gas development to minimize deleterious health outcomes. The third paper demonstrates that a hypothetical, complete transition of the German vehicle fleet to hydrogen fuel cell technology could contribute substantially to Germany's climate and air quality goals. The results indicate that if the hydrogen were to be produced via renewable-powered water electrolysis (green hydrogen), German carbon dioxide equivalent (CO2eq) emissions would decrease by 179 MtCO2eq annually, though if electrolysis were powered by the current electricity mix, emissions would instead increase by 95 MtCO2eq annually. The findings generally reveal a notable anticipated decrease in German energy emissions of regulated air pollutants. The results suggest that vehicular hydrogen demand is 1000 PJ annually, which would require between 446 TWh and 525 TWh for electrolysis, hydrogen transport and storage. When only the heavy duty vehicle segment (HDVs) is shifted to green hydrogen, the results of this thesis show that vehicular hydrogen demand drops to 371 PJ, while a deep emissions cut is still realized (-57 MtCO2eq), suggesting that HDVs are a low-hanging fruit for contributing to decarbonization of the German road transport sector with hydrogen energy. N2 - Energie ist der Kern der Klimakrise—aber auch der Kern jeglicher Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels. Der Energieverbrauch ist heute für ungefähr drei Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Grundlegend für einen ernsthaft gemeinten Plan eine Klimakatastrophe abzuwenden ist daher eine umfassende Umgestaltung des weltweiten Energiesystems von fossilen Brennstoffen weg in Richtung zukünftige Netto-Null-Emissionen. Angesichts der Tatsache, dass fossile Brennstoffe auch eine Hauptquelle für Luftschadstoffemissionen sind, hat die Energiewende wichtige Auswirkungen auf die Luftqualität und damit auch auf die Gesundheit von Mensch und Umwelt. Sowohl Europa als auch Deutschland haben sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 treibhausgasneutral zu werden und zeigen darüber hinaus ihr tiefes Engagement für eine umfassende Energiewende. Zwei der wichtigsten Entwicklungen in der Energiepolitik im letzten Jahrzehnt waren das Interesse an der Ausweitung von Schiefergas und Wasserstoff, das entsprechend großes Interesse und große Diskussionen in der Öffentlichkeit, im Privaten und in der Politik erzeugt hat. In diesem Zusammenhang können fundierte wissenschaftliche Informationen eine wichtige Rolle spielen, indem sie Interessenvertreter und zukünftige Forschungsinvestitionen informieren und evidenzbasierte Entscheidungen unterstützen. Diese Doktorarbeit untersucht die Umweltauswirkungen möglicher, relevanter Veränderungen im europäischen Energiesystem, um wertvolle Erkenntnisse zu vermitteln und kritische Wissenslücken zu schließen. Insbesondere werden mögliche zukünftige Schiefergasentwicklungen in Deutschland und im Vereinigten Königreich (UK) sowie ein hypothetischer, vollständiger Übergang zur Wasserstoffmobilität in Deutschland untersucht. Darüber hinaus werden die Auswirkungen auf die Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen sowie auf die Luftqualität von troposphärischem Ozon (O3) bewertet. Die Analyse wird durch die Erstellung von Emissionsszenarien und die Durchführung von Luftqualitätsmodellen über die Chemie-Version des "Weather Research and Forecasting Model" (WRF-Chem) erleichtert. Die Forschung dieser Doktorarbeit wird in drei wissenschaftlichen Artikeln vorgestellt. Der erste Artikel beschreibt, dass die Methan (CH4)-Leckraten aus einer vorgelagerten Schiefergasproduktion in Deutschland und Großbritannien in einem gewöhnlichen Fall zwischen 0.35% und 1.36% liegen würden, während sie in einem optimistischen, streng regulierten Fall signifikant zwischen 0.08% und 0.15% niedriger wären, und zeigt damit die Bedeutung und das Potenzial von Maßnahmen zur wesentlichen Reduzierung der Emissionen auf. Obwohl der optimistische Fall technisch machbar ist, ist es aufgrund der Wirtschaftlichkeit und der begrenzten Überwachungsressourcen unwahrscheinlich, dass die angenommenen Praktiken und Technologien systematisch und regelmäßig angewendet und durchgeführt werden. Die in dieser Studie geschätzten realistischen CH4-Leckraten sind vergleichbar mit Werten, die in Studien in den USA und anderswo angegeben wurden. Im Gegensatz dazu ähneln die optimistischen Raten den offziellen CH4- Leckraten aus der vorgelagerten Gasproduktion in Deutschland und Großbritannien. In Anbetracht des Mangels an systematischen, transparenten und unabhängigen Berichten, die die offziellen Werte stützen, unterstreicht diese Studie die Notwendigkeit weiterer Forschungsanstrengungen in diese Richtung. Im Vergleich zu den Emissionen des nationalen Energiesektors deutet diese Studie darauf hin, dass die Schiefergasemissionen flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) erheblich sein könnten, andere Luftschadstoffe jedoch relativ unbedeutend bleiben. Ähnlich wie bei CH4 könnten Maßnahmen zur Reduzierung der VOC-Emissionen wirksam sein. Der zweite Artikel beschreibt, dass VOC- und Stickoxidemissionen (NOx) einer zukünftigen Schiefergasindustrie in Deutschland und Großbritannien potenziell schädliche Folgen für die europäische O3-Luftqualität sowohl auf lokaler als auch auf regionaler Ebene haben. Die Ergebnisse zeigen einen Spitzenanstieg des maximalen täglichen 8-Stunden-Durchschnitts von O3 (MDA8) im Bereich von 3.7 µg m-3 bis 28.3 µg m-3. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Schiefergasaktivitäten zu zusätzlichen Grenzwertüberschreitungen des MDA8 bei einem erheblichen Prozentsatz der regulatorischen Messstationen sowohl vor Ort als auch in Nachbar- und entfernten Ländern führen können, wobei bei bis zu etwa einem Drittel der Stationen in Großbritannien und einem Fünftel der Stationen in Deutschland zusätzliche Überschreitungen auftreten. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Auswirkungen von Schiefergas auf die kumulative gesundheitsbezogene Metrik SOMO35 (jährliche Summe des Ozonmittel über 35 ppb) mit einem maximalen Anstieg von ca. 28% erheblich sein könnten. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die VOC-Emissionen von Schiefergas eine entscheidende Rolle bei der O3-Erhöhung spielen könnten, während die NOx-Emissionen in geringerem Maße dazu beitragen würden. Unsere Ergebnisse zeigen daher, dass eine strenge Regulierung der VOC-Emissionen im Falle einer künftigen europäischen Schiefergasentwicklung wichtig ist, um schädliche gesundheitliche Folgen zu minimieren. Der dritte Artikel beschreibt, dass ein hypothetischer, vollständiger Übergang der deutschen Fahrzeugflotte zur Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie wesentlich zu Deutschlands Klima- und Luftqualitätszielen beitragen kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei einer Erzeugung des Wasserstoffs durch erneuerbare Wasserelektrolyse (grüner Wasserstoff) die Emissionen des deutschen Kohlendioxidäquivalents (CO2eq) jährlich um 179 MtCO2eq sinken würden. Wenn die Elektrolyse jedoch mit dem aktuellen Strommix betrieben würde, würden sich die Emissionen stattdessen um jährlich 95 MtCO2eq erhöhen. Die Ergebnisse zeigen im Allgemeinen einen bemerkenswerten Rückgang der Luftschadstoffemissionen in Deutschland. Weiterhin legen sie nahe, dass der Wasserstoffbedarf von Fahrzeugen 1000 PJ pro Jahr beträgt, was zwischen 446 TWh und 525 TWh für Elektrolyse, Wasserstofftransport und -speicherung erfordern würde. Wenn nur das Segment der Schwerlastfahrzeuge (HDVs) auf grünen Wasserstoff umgestellt wird, zeigen unsere Ergebnisse, dass der Wasserstoffbedarf der Fahrzeuge auf 371 PJ sinkt, während immer noch eine tiefgreifende Emissionsreduzierung erzielt wird (-57 MtCO2eq). Dies zeigt, dass die Umstellung der HDVs auf grünen Wasserstoff einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung des deutschen Straßenverkehrs leisten kann. T2 - Erforschung möglicher Auswirkungen von Veränderungen deutscher und europäischer Energie auf Treibhausgas- und Luftschadstoffemissionen sowie auf die Ozonluftqualität KW - European energy KW - Emission scenarios KW - Greenhouse gas mitigation KW - Air quality modeling KW - Air pollution KW - Ozone KW - Shale gas KW - Hydrogen economy KW - German road transport KW - Fuel cell electric vehicle KW - Europäische Energie KW - Emissionsszenarien KW - Treibhausgasminderung KW - Luftqualitätsmodellen KW - Luftverschmutzung KW - Ozon KW - Schiefergas KW - Wasserstoffwirtschaft KW - Deutscher Straßenverkehr KW - Brennstoffzellenfahrzeug Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496986 ER - TY - THES A1 - von Reppert, Alexander T1 - Magnetic strain contributions in laser-excited metals studied by time-resolved X-ray diffraction T1 - Untersuchung magnetischer Beiträge zur Ausdehnung laserangeregter Metalle mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugungsexperimente N2 - In this work I explore the impact of magnetic order on the laser-induced ultrafast strain response of metals. Few experiments with femto- or picosecond time-resolution have so far investigated magnetic stresses. This is contrasted by the industrial usage of magnetic invar materials or magnetostrictive transducers for ultrasound generation, which already utilize magnetostrictive stresses in the low frequency regime. In the reported experiments I investigate how the energy deposition by the absorption of femtosecond laser pulses in thin metal films leads to an ultrafast stress generation. I utilize that this stress drives an expansion that emits nanoscopic strain pulses, so called hypersound, into adjacent layers. Both the expansion and the strain pulses change the average inter-atomic distance in the sample, which can be tracked with sub-picosecond time resolution using an X-ray diffraction setup at a laser-driven Plasma X-ray source. Ultrafast X-ray diffraction can also be applied to buried layers within heterostructures that cannot be accessed by optical methods, which exhibit a limited penetration into metals. The reconstruction of the initial energy transfer processes from the shape of the strain pulse in buried detection layers represents a contribution of this work to the field of picosecond ultrasonics. A central point for the analysis of the experiments is the direct link between the deposited energy density in the nano-structures and the resulting stress on the crystal lattice. The underlying thermodynamical concept of a Grüneisen parameter provides the theoretical framework for my work. I demonstrate how the Grüneisen principle can be used for the interpretation of the strain response on ultrafast timescales in various materials and that it can be extended to describe magnetic stresses. The class of heavy rare-earth elements exhibits especially large magnetostriction effects, which can even lead to an unconventional contraction of the laser-excited transducer material. Such a dominant contribution of the magnetic stress to the motion of atoms has not been demonstrated previously. The observed rise time of the magnetic stress contribution in Dysprosium is identical to the decrease in the helical spin-order, that has been found previously using time-resolved resonant X-ray diffraction. This indicates that the strength of the magnetic stress can be used as a proxy of the underlying magnetic order. Such magnetostriction measurements are applicable even in case of antiparallel or non-collinear alignment of the magnetic moments and a vanishing magnetization. The strain response of metal films is usually determined by the pressure of electrons and lattice vibrations. I have developed a versatile two-pulse excitation routine that can be used to extract the magnetic contribution to the strain response even if systematic measurements above and below the magnetic ordering temperature are not feasible. A first laser pulse leads to a partial ultrafast demagnetization so that the amplitude and shape of the strain response triggered by the second pulse depends on the remaining magnetic order. With this method I could identify a strongly anisotropic magnetic stress contribution in the magnetic data storage material iron-platinum and identify the recovery of the magnetic order by the variation of the pulse-to-pulse delay. The stark contrast of the expansion of iron-platinum nanograins and thin films shows that the different constraints for the in-plane expansion have a strong influence on the out-of-plane expansion, due to the Poisson effect. I show how such transverse strain contributions need to be accounted for when interpreting the ultrafast out-of-plane strain response using thermal expansion coefficients obtained in near equilibrium conditions. This work contributes an investigation of magnetostriction on ultrafast timescales to the literature of magnetic effects in materials. It develops a method to extract spatial and temporal varying stress contributions based on a model for the amplitude and shape of the emitted strain pulses. Energy transfer processes result in a change of the stress profile with respect to the initial absorption of the laser pulses. One interesting example occurs in nanoscopic gold-nickel heterostructures, where excited electrons rapidly transport energy into a distant nickel layer, that takes up much more energy and expands faster and stronger than the laser-excited gold capping layer. Magnetic excitations in rare earth materials represent a large energy reservoir that delays the energy transfer into adjacent layers. Such magneto-caloric effects are known in thermodynamics but not extensively covered on ultrafast timescales. The combination of ultrafast X-ray diffraction and time-resolved techniques with direct access to the magnetization has a large potential to uncover and quantify such energy transfer processes. N2 - In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss magnetischer Ordnung auf die laser-induzierte, ultraschnelle Ausdehnung von Metallen. In Experimenten mit Femto- oder Pikosekunden Zeitauflösung sind magnetische Drücke bisher kaum erforscht. Dies steht im Kontrast zur industriellen Verwendung von magnetischen Invar Materialien oder magnetostriktiven Ultraschallgebern, in denen magnetische Drücke bereits in niedrigeren Frequenzbereichen Anwendung finden. In meinen Experimenten untersuche ich, wie der Energieeintrag durch die Absorption von Femtosekunden-Laserpulsen in dünnen Metallschichten zu einem ultraschnellen Druckanstieg führt. Dabei nutze ich, dass der Druckanstieg zu einer Ausdehnung führt, welche Deformationswellen auf der Nanometerskala, sogenannte Hyperschallpulse, in angrenzende Schichten aussendet. Sowohl die Ausdehnung als auch die Deformationspulse ändern den mittleren Abstand zwischen den Atomen in der Probe, welcher mittels Röntgenbeugung an einer Laser-getriebenen Plasma-Röntgenquelle mit einer Subpikosekunden-Zeitauflösung detektiert wird. Das Verfahren der ultraschnellen Röntgenbeugung gelingt auch in Heterostrukturen mit vergrabenen Detektionsschichten, zu denen optische Methoden aufgrund ihrer limitierter Eindringtiefe in Metallen keinen Zugang haben. Ein Beitrag dieser Arbeit zum Feld der Pikosekunden-Akustik ist es, aus der Ausdehnung einer solchen Detektionsschicht Rückschlüsse auf die initialen Energietransferprozesse zu ziehen. Der direkte Zusammenhang zwischen der eingebrachten Energiedichte in die Nanostrukturen und dem resultierenden Druck auf das Atomgitter ist ein zentraler Punkt in meiner Analyse der Experimente. Das zu Grunde liegende thermodynamische Konzept des Grüneisen-Parameters bildet den theoretischen Kontext meiner Publikationen. Anhand verschiedener Materialien demonstriere ich, wie dieses Prinzip auch zur Analyse der Ausdehnung auf ultraschnellen Zeitskalen verwendet werden kann und sich auch auf magnetische Drücke übertragen lässt. Insbesondere in der Materialklasse der schweren, seltenen Erdelemente sind Magnetostriktionseffekte sehr groß und führen dort sogar zu einem ungewöhnlichen Zusammenziehen des Materials nach der Laseranregung. Solch ein bestimmender Einfluss des magnetischen Drucks auf die Atombewegung ist bisher nicht gezeigt worden. Die Zeitskala des magnetischen Druckanstiegs entspricht dabei der beobachteten Abnahme der helikalen Spin-Ordnung, welche zuvor mittels zeitaufgelöster, resonanter Röntgenbeugung ermittelt wurde. Dies zeigt, dass die Stärke des magnetischen Drucks als Maß für magnetische Ordnung dienen kann, insbesondere auch im Fall von antiparalleler oder nicht-kollinearer Ordnung der magnetischen Momente in Proben mit verschwindender Magnetisierung. In Metallfilmen ist die Dehnung des Atomgitters in der Regel durch Druck von Elektronen und Gitterschwingungen geprägt. Um den magnetischen Druckbeitrag auch in solchen Fällen zu extrahieren, in denen systematische Experimente oberhalb und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur nicht praktikabel sind, habe ich ein neuartiges Doppelpuls-Anregungsverfahren entwickelt, welches allgemein für die Untersuchung von Phasenübergängen nützlich ist. Der Energieeintrag durch den ersten Laserpuls führt dabei zu einer partiellen, ultraschnellen Demagnetisierung, sodass die Amplitude und Form der Gitterausdehnung nach dem zweiten Puls von der Stärke des verbliebenen magnetischen Drucks und somit von der verbliebenen magnetischen Ordnung abhängt. Mit dieser Methode ist es möglich geworden, einen stark richtungsabhängigen, magnetischen Druckbeitrag im Speichermedium Eisen-Platin zu identifizieren und mittels Variation des Puls-zu-Puls Abstands auch die Rückkehr der magnetischen Ordnung zu zeigen. Die unterschiedliche Ausdehnung von Eisen-Platin Nanopartikeln und dünnen Filmen zeigt dabei, dass die verschiedenen Zwangsbedingungen für die Ausdehnung entlang der Probenoberfläche aufgrund des Poisson-Effekts einen entscheidenden Einfluss auf die ultraschnelle Ausdehnung senkrecht zur Probenoberfläche hat. Ich analysiere, wie die zugrunde liegende Querkontraktion bei der Interpretation der ultraschnellen Ausdehnung auf der Basis von thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Quasi-Gleichgewicht berücksichtigt werden kann. Meine Arbeit erweitert die Literatur um einen Beitrag zur ultraschnellen Magnetostriktion und entwickelt eine Methodik mittels derer räumlich und zeitlich variierende Druckbeiträge anhand einer Modellierung der Form der Deformationswellen extrahiert werden können. Energietransferprozesse spiegeln sich dabei durch eine Änderung des Druckprofils gegenüber dem Absorptionsprofil der Laserpulse wider. KW - lattice dynamics KW - magnetism KW - ultrafast KW - X-ray diffraction KW - Gitterdynamik KW - Magnetismus KW - ultraschnell KW - Röntgenbeugung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535582 ER - TY - THES A1 - van der Veen, Iris T1 - Defining moisture sources and (palaeo)environmental conditions using isotope geochemistry in the NW Himalaya N2 - Anthropogenic climate change alters the hydrological cycle. While certain areas experience more intense precipitation events, others will experience droughts and increased evaporation, affecting water storage in long-term reservoirs, groundwater, snow, and glaciers. High elevation environments are especially vulnerable to climate change, which will impact the water supply for people living downstream. The Himalaya has been identified as a particularly vulnerable system, with nearly one billion people depending on the runoff in this system as their main water resource. As such, a more refined understanding of spatial and temporal changes in the water cycle in high altitude systems is essential to assess variations in water budgets under different climate change scenarios. However, not only anthropogenic influences have an impact on the hydrological cycle, but changes to the hydrological cycle can occur over geological timescales, which are connected to the interplay between orogenic uplift and climate change. However, their temporal evolution and causes are often difficult to constrain. Using proxies that reflect hydrological changes with an increase in elevation, we can unravel the history of orogenic uplift in mountain ranges and its effect on the climate. In this thesis, stable isotope ratios (expressed as δ2H and δ18O values) of meteoric waters and organic material are combined as tracers of atmospheric and hydrologic processes with remote sensing products to better understand water sources in the Himalayas. In addition, the record of modern climatological conditions based on the compound specific stable isotopes of leaf waxes (δ2Hwax) and brGDGTs (branched Glycerol dialkyl glycerol tetraethers) in modern soils in four Himalayan river catchments was assessed as proxies of the paleoclimate and (paleo-) elevation. Ultimately, hydrological variations over geological timescales were examined using δ13C and δ18O values of soil carbonates and bulk organic matter originating from sedimentological sections from the pre-Siwalik and Siwalik groups to track the response of vegetation and monsoon intensity and seasonality on a timescale of 20 Myr. I find that Rayleigh distillation, with an ISM moisture source, mainly controls the isotopic composition of surface waters in the studied Himalayan catchments. An increase in d-excess in the spring, verified by remote sensing data products, shows the significant impact of runoff from snow-covered and glaciated areas on the surface water isotopic values in the timeseries. In addition, I show that biomarker records such as brGDGTs and δ2Hwax have the potential to record (paleo-) elevation by yielding a significant correlation with the temperature and surface water δ2H values, respectively, as well as with elevation. Comparing the elevation inferred from both brGDGT and δ2Hwax, large differences were found in arid sections of the elevation transects due to an additional effect of evapotranspiration on δ2Hwax. A combined study of these proxies can improve paleoelevation estimates and provide recommendations based on the results found in this study. Ultimately, I infer that the expansion of C4 vegetation between 20 and 1 Myr was not solely dependent on atmospheric pCO2, but also on regional changes in aridity and seasonality from to the stable isotopic signature of the two sedimentary sections in the Himalaya (east and west). This thesis shows that the stable isotope chemistry of surface waters can be applied as a tool to monitor the changing Himalayan water budget under projected increasing temperatures. Minimizing the uncertainties associated with the paleo-elevation reconstructions were assessed by the combination of organic proxies (δ2Hwax and brGDGTs) in Himalayan soil. Stable isotope ratios in bulk soil and soil carbonates showed the evolution of vegetation influenced by the monsoon during the late Miocene, proving that these proxies can be used to record monsoon intensity, seasonality, and the response of vegetation. In conclusion, the use of organic proxies and stable isotope chemistry in the Himalayas has proven to successfully record changes in climate with increasing elevation. The combination of δ2Hwax and brGDGTs as a new proxy provides a more refined understanding of (paleo-)elevation and the influence of climate. N2 - Die Auswirkungen des menschgemachten Klimawandels wirken sich auch auf den Wasserkreislauf aus. Während manche Regionen höhere Niederschlagsmengen zu erwarten haben, werden andere mit stärkeren und häufigeren Trockenperioden zu konfrontiert sein. Diese Veränderungen haben einen unmittelbaren Einfluss auf Evaporation, Langzeit-Wasserreservoire, Grundwasserbildung, Schneefall und Gletscher. Da Gebirge und Hochplateaus überdurchschnittlich von den Auswirkungen des Klimawandels betroffen sind, ist die Wasserversorgung der Menschen entlang der dort entspringenden Flüsse gefährdet. Insbesondere der Himalaya gilt als instabile Region, dessen Abflüsse die Wasserversorgung von annähernd einer Milliarde Menschen gewährleisten. Um zu erwartende Veränderungen des Wasserbudgets in Abhängigkeit von verschiedenen möglichen Klimawandelszenarien abschätzen zu können, ist ein detaillierteres Verständnis des Wasserkreislaufs in Hochgebirgen und -plateaus erforderlich. Neben dem globalen Klimawandel gibt es weitere Faktoren, die sich auf den Wasserkreislauf auswirken. Das Wechselspiel zwischen Gebirgsbildung und klimatischen Bedingungen beeinflusst den Wasserkreislauf auf geologischen Zeitskalen. Entsprechende Veränderungen und ihre Auswirkungen lassen sich jedoch nur eingeschränkt bestimmen. Mittels geeigneter Proxies für höhenbedingte Änderungen der Hydrologie lassen sich der Orogeneseverlauf sowie dessen klimatische Auswirkungen allerdings genauer rekonstruieren. In der vorliegenden Arbeit werden die Verhältnisse stabiler Isotope (als δ2H und δ18O ausgedrückt) von meteorischen Wassern sowie von organischem Material mit Methoden der Satellitenfernerkundung als Indikator für atmosphärische und hydrologische Prozesse kombiniert, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Wasserquellen des Himalaya zu erlangen. Darüber hinaus wurde der Link zwischen modernen klimatischen Bedingungen und verbindungsspezifischen stabilen Isotopen von Blattwachsen (δ2Hwax) sowie von brGDGTs (branched Glycerol dialkyl glycerol tetraethers) rezenter Bodenproben aus den Einzugsgebieten vierer Flüsse des Himalaya hergestellt, um sie als Paläo-Klima- und Paläo-Höhenproxy verwenden zu können. Zu guter Letzt wurden hydrologische Veränderungen auf einer Zeitskala von 20 Mio. Jahren anhand von δ13C- and δ18O-Werten von Bodencarbonat und organischem Material aus Sedimentschnitten der pre-Siwalik und Siwalik-Einheiten nachvollzogen. Die Erkenntnisse dieser tragen zu einer deutlich genaueren Rekonstruktion von Vegetationsänderungen und der Entwicklung der Monsun-Intensität sowie -Saisonalität bei. Die Isotopenzusammensetzung der Oberflächenwasser der untersuchten Flüsse wird hauptsächlich durch Rayleigh-Destillation der im Wesentlichen vom Indischen Sommer Monsun eingetragenen Feuchtigkeit bestimmt. Der durch Satellitenfernerkundungsdaten bestätigte Anstieg des Deuterium-Exzesses (d-excess) im Frühjahr verdeutlicht den signifikanten Einfluss von Schnee- und Gletscherschmelze, der auch in Zeitreihen von Oberflächenwasserproben erkennbar ist. Sowohl brGDGT als auch δ2Hwax können potentiell die absolute Höhe zum Zeitpunkt ihrer Synthese abbilden, da sie stark mit der Lufttemperatur, bzw. mit Oberflächenwasser δ2H und somit indirekt auch mit der Höhe korreliert sind. Im direkten Vergleich der mittels brGDGT und δ2Hwax rekonstruierten Höhen ergaben sich insbesondere in ariden Teilen der Höhenprofile große Unterschiede. Diese sind hauptsächlich auf verstärkte Evapotranspiration und deren Auswirkung auf Pflanzenwasser und -wachse zurückzuführen. Basierend auf den Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit können weitere vergleichende Untersuchungen beider Proxies genauere Paläo-Höhenstudien ermöglichen. Diese Arbeit zeigt, dass die Isotopie von Oberflächenwassern genutzt werden kann, um den sich ändernden Wasserhaushalt des Himalya im Kontext voraussichtlich weiter ansteigender Temperaturen zu beobachten. Unsicherheiten bei der Rekonstruktion von Paläo-Höhen konnten durch eine vergleichende Analyse zweier organischer Proxies (δ2Hwax and brGDGTs) aus Paläo-Bodenproben des Himalayas minimiert werden. Verhältnisse stabiler Isotope von Blattwachsen aus diesen Bodenproben spiegeln die Entwicklung der Vegetation unter dem Einfluss des Monsuns im späten Miozän wider. Zusammenfassend wurde erfolgreich gezeigt, dass organische Proxies und stabile Isotope höhenabhängige Änderungen des Klimas im Himalaya aufzeichnen können. Die Kombination von δ2Hwax and brGDGTs als neuer Proxy ermöglicht eine deutlich differenziertere Betrachtung von rekonstruierten Paläo-Höhen sowie Paläo-Klima. KW - stable isotope KW - Himalaya KW - n-alkanes KW - d-excess KW - biomarker KW - paleohydrology KW - GDGT KW - GDGT KW - Himalaya KW - Biomarker KW - Deuterium Exzesses KW - n-alkane KW - Paläohydrologie KW - stabilen Isotopen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-514397 ER - TY - THES A1 - Unfug, Christian T1 - Die Prätorianerpräfektur im dritten Jahrhundert T1 - The praetorian prefecture in the third century BT - die Entstehung einer „Kaiserlichen Magistratur“ N2 - Die Arbeit untersucht die historische Entwicklung der Prätorianerpräfektur im 3. Jh. und bewertet die Funktion im Rahmen der kaiserlichen Herrschaftsordnung. Aufgrund der militärischen und politischen Krisen des 3. Jh. und der daran angepassten Herrschaftsstrategien erhielten die Prätorianerpräfekten umfassende Aufgaben. Die disparate Quellen- und Forschungslage beschreibt den Machtzuwachs und die Funktionsaufwertung der Prätorianerpräfekten in dieser wichtigen Phase aber sehr unterschiedlich. Ausgehend von den spätantiken Berichten geht die mehrheitliche Forschung zudem von einem Machtverlust der Prätorianerpräfekten unter Konstantin aus, dem eine Reformierung der Prätorianerpräfektur zugesprochen wird. Dieser Machtverlust lässt sich zeitlich und funktional jedoch nicht sicher bestimmen. In der Forschung wird dieser funktionale Abstieg oft mit der konstantinischen Demilitarisierung und Regionalisierung der Prätorianerpräfektur begründet. Bisher fehlte eine aktuelle Gesamtdarstellung, die die Prätorianerpräfektur in der Herrschaftsordnung des 3. Jh. bewertet und kategorisiert, um eine funktionale Abgrenzung zur klassischen Prätorianerpräfektur und zur Regionalpräfektur im 4. Jh. vorzunehmen. Für diese funktionale Abgrenzung wurden in dieser Arbeit die Funktionsmerkmale und historischen Zusammenhänge der Prätorianerpräfektur im 3. Jh. abstrahiert und hieraus der Idealtypus einer „Kaiserlichen Magistratur“ gebildet. Die Ergebnisse dieser Abstrahierung zeigen die Prätorianerpräfektur im 3. Jh. als eine kommunikative Schnittstelle zwischen dem Kaiser und den leitenden Stellen der Zentral- und Provinzadministration. Die Prätorianerpräfektur übernahm hierbei eine leitende Stabsfunktion, die im Zusammenhang mit der höchsten inappellablen Gerichtsbarkeit die zweite Funktionsträgerebene nach dem Kaiser bildete. Diese Funktion übten die Prätorianerpräfekten ohne territoriale Bindung bis zum Ende der Tetrarchie bzw. bis zur frühen Herrschaft Konstantins aus. N2 - The study researches the historical development of the praetorian prefect in the third century and valuates this function in consideration of the emperor’s ruling system. Due to the military and political crisis of the third century and the adapted ruling strategies the praetorian prefects obtained extensive responsibilities. But the disparate sources and researches have described the powerful position of the praetorian prefecture and the growth of responsibilities in this important phase very different. Focused on the sources of the late antiquity most researches although supposed a substantial reform and a loss of power for the praetorian prefecture under Constantine. But the determination of the temporary and functional loss of power for the praetorian prefecture is uncertain. Many studies argued this functional downgrade with the Constantinian demilitarization and regionalization of the praetorian prefecture. So far there was a requirement for an actual overall view, that evaluates and categorizes the praetorian prefecture in the ruling system of the third century that allowed a functional differentiation to the classical praetorian prefecture and the regional prefecture of the fourth century. For that functional differentiation the functional attributes and historical correlations of the praetorian prefecture in the third century were generalized and formed in this study to the ideal type of an „Emperor’s Magistrate“. As a result of that approach the praetorian prefecture is shown as a communicative gateway between the emperor and the leading offices of the central and provincial administration. Here the praetorian prefecture obtained a leading staff function and constitutes in correlation with its highest inappeasable court the second functional level after the emperor. Without a territorial bond the praetorian prefecture administrates that function until the end of the Tetrarchy respectively to the early reign of Constantine. KW - Prätorianerpräfektur KW - praetorian KW - Römische Kaiserzeit KW - Verwaltungsgeschichte KW - Soldatenkaiser KW - Rechtsgeschichte KW - Militärgeschichte KW - Magistratur KW - magistracy KW - military history KW - praetorian prefecture KW - history of law KW - history of the Roman Empire KW - soldier emperor KW - barracks emperor KW - administrative history KW - Magistrat KW - magistrate KW - Prätorianerpräfekt KW - praetorian prefect KW - praefectus praetorio Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511886 ER - TY - THES A1 - Torcato Mordido, Gonçalo Filipe T1 - Diversification, compression, and evaluation methods for generative adversarial networks N2 - Generative adversarial networks (GANs) have been broadly applied to a wide range of application domains since their proposal. In this thesis, we propose several methods that aim to tackle different existing problems in GANs. Particularly, even though GANs are generally able to generate high-quality samples, the diversity of the generated set is often sub-optimal. Moreover, the common increase of the number of models in the original GANs framework, as well as their architectural sizes, introduces additional costs. Additionally, even though challenging, the proper evaluation of a generated set is an important direction to ultimately improve the generation process in GANs. We start by introducing two diversification methods that extend the original GANs framework to multiple adversaries to stimulate sample diversity in a generated set. Then, we introduce a new post-training compression method based on Monte Carlo methods and importance sampling to quantize and prune the weights and activations of pre-trained neural networks without any additional training. The previous method may be used to reduce the memory and computational costs introduced by increasing the number of models in the original GANs framework. Moreover, we use a similar procedure to quantize and prune gradients during training, which also reduces the communication costs between different workers in a distributed training setting. We introduce several topology-based evaluation methods to assess data generation in different settings, namely image generation and language generation. Our methods retrieve both single-valued and double-valued metrics, which, given a real set, may be used to broadly assess a generated set or separately evaluate sample quality and sample diversity, respectively. Moreover, two of our metrics use locality-sensitive hashing to accurately assess the generated sets of highly compressed GANs. The analysis of the compression effects in GANs paves the way for their efficient employment in real-world applications. Given their general applicability, the methods proposed in this thesis may be extended beyond the context of GANs. Hence, they may be generally applied to enhance existing neural networks and, in particular, generative frameworks. N2 - Generative adversarial networks (GANs) wurden seit ihrer Einführung in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen eingesetzt. In dieser Dissertation schlagen wir einige Verfahren vor, die darauf abzielen, verschiedene bestehende Probleme von GANs zu lösen. Insbesondere, fokussieren wir uns auf das Problem das GANs zwar qualitative hochwertige Samples generieren können, aber die Diversität ist oft sub-optimal. Darüber hinaus, stellt die allgemein übliche Zunahme der Anzahl der Modelle unter dem ursprünglichen GAN-Framework, als auch deren Modellgröße weitere Aufwendungskosten dar. Abschließend, ist die richtige Evaluierung einer generierten Menge, wenn auch herausfordernd, eine wichtige Forschungsrichtung, um letztendlich den Generierungsprozess von GANs zu verbessern. Wir beginnen mit der Einführung von zwei Diversifizierungsmethoden die das ursprüngliche GAN-Framework um mehrere Gegenspieler erweitern, um die Diversität zu erhöhen. Um den zusätzlichen Speicher- und Rechenaufwand zu reduzieren, führen wir dann eine neue Kompressionsmethode ein. Diese Methode basiert auf den Monte-Carlo-Methoden und Importance Sampling, für das Quantisieren und Pruning der Gewichte und Aktivierungen von schon trainierten neuronalen Netzwerken ohne zusätzliches Trainieren. Wir erweitern die erwähne Methode zusätzlich für das Quantisieren und Pruning von Gradienten während des Trainierens, was die Kommunikationskosten zwischen verschiedenen sogenannten „Workern“ in einer verteilten Trainingsumgebung reduziert. Bezüglich der Bewertung der generierten Samples, stellen wir mehrere typologie basierte Evaluationsmethoden vor, die sich auf Bild-und Text konzentrieren. Um verschiedene Anwendungsfälle zu erfassen, liefern unsere vorgestellten Methoden einwertige und doppelwertige Metriken. Diese können einerseits dazu genutzt werden, generierte Samples, oder die Qualität und Verteilung der Samples anhand einer Menge von echten Samples zu bewerten. Außerdem, verwenden zwei unserer vorgestellten Metriken so genanntes locality-sensitive Hashing, um die generierten Samples von stark komprimierten GANs genau zu bewerten. Die Analyse von Kompressionseffekten in GANs ebnet den Weg für ihren effizienten Einsatz für reale Anwendungen. Aufgrund der allgemeinen Anwendungsmöglichkeit von GANs, können die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden auch über Kontext von GANs hinaus erweitert werden. Daher könnten sie allgemein auf existierende neuronale Netzwerke angewandt werden und insbesondere auf generative Frameworks. KW - deep learning KW - generative adversarial networks KW - erzeugende gegnerische Netzwerke KW - tiefes Lernen Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535460 ER - TY - THES A1 - Teusner, Ralf T1 - Situational interventions and peer feedback in massive open online courses T1 - Situationsabhängige Interventionen und Peer-Feedback in Massive Open Online Courses BT - narrowing the gap between learners and instructors in online programming education N2 - Massive Open Online Courses (MOOCs) open up new opportunities to learn a wide variety of skills online and are thus well suited for individual education, especially where proffcient teachers are not available locally. At the same time, modern society is undergoing a digital transformation, requiring the training of large numbers of current and future employees. Abstract thinking, logical reasoning, and the need to formulate instructions for computers are becoming increasingly relevant. A holistic way to train these skills is to learn how to program. Programming, in addition to being a mental discipline, is also considered a craft, and practical training is required to achieve mastery. In order to effectively convey programming skills in MOOCs, practical exercises are incorporated into the course curriculum to offer students the necessary hands-on experience to reach an in-depth understanding of the programming concepts presented. Our preliminary analysis showed that while being an integral and rewarding part of courses, practical exercises bear the risk of overburdening students who are struggling with conceptual misunderstandings and unknown syntax. In this thesis, we develop, implement, and evaluate different interventions with the aim to improve the learning experience, sustainability, and success of online programming courses. Data from four programming MOOCs, with a total of over 60,000 participants, are employed to determine criteria for practical programming exercises best suited for a given audience. Based on over five million executions and scoring runs from students' task submissions, we deduce exercise difficulties, students' patterns in approaching the exercises, and potential flaws in exercise descriptions as well as preparatory videos. The primary issue in online learning is that students face a social gap caused by their isolated physical situation. Each individual student usually learns alone in front of a computer and suffers from the absence of a pre-determined time structure as provided in traditional school classes. Furthermore, online learning usually presses students into a one-size-fits-all curriculum, which presents the same content to all students, regardless of their individual needs and learning styles. Any means of a personalization of content or individual feedback regarding problems they encounter are mostly ruled out by the discrepancy between the number of learners and the number of instructors. This results in a high demand for self-motivation and determination of MOOC participants. Social distance exists between individual students as well as between students and course instructors. It decreases engagement and poses a threat to learning success. Within this research, we approach the identified issues within MOOCs and suggest scalable technical solutions, improving social interaction and balancing content difficulty. Our contributions include situational interventions, approaches for personalizing educational content as well as concepts for fostering collaborative problem-solving. With these approaches, we reduce counterproductive struggles and create a universal improvement for future programming MOOCs. We evaluate our approaches and methods in detail to improve programming courses for students as well as instructors and to advance the state of knowledge in online education. Data gathered from our experiments show that receiving peer feedback on one's programming problems improves overall course scores by up to 17%. Merely the act of phrasing a question about one's problem improved overall scores by about 14%. The rate of students reaching out for help was significantly improved by situational just-in-time interventions. Request for Comment interventions increased the share of students asking for help by up to 158%. Data from our four MOOCs further provide detailed insight into the learning behavior of students. We outline additional significant findings with regard to student behavior and demographic factors. Our approaches, the technical infrastructure, the numerous educational resources developed, and the data collected provide a solid foundation for future research. N2 - MOOCs (Massive Open Online Courses) ermöglichen es jedem Interessierten sich in verschiedenen Fachrichtungen online weiterzubilden. Sie fördern die persönliche individuelle Entwicklung und ermöglichen lebenslanges Lernen auch dort, wo geeignete Lehrer nicht verfügbar sind. Unsere Gesellschaft befindet sich derzeit in der sogenannten "digitalen Transformation". Von vielen Arbeitnehmern werden in diesem Zusammenhang zunehmend Fähigkeiten wie abstraktes Denken und logisches Schlussfolgern erwartet. Das Erlernen einer Programmiersprache ist eine geeignete Möglichkeit, diese Fähigkeiten zu erlangen. Obwohl Programmieren als geistige Disziplin angesehen wird, ist es zu einem gewissen Grad auch ein Handwerk, bei dem sich das individuelle Können insbesondere durch stetige praktische Anwendung entwickelt. Um Programmierkenntnisse effektiv in einem MOOC zu vermitteln, sollten daher praktische Aufgaben von vornherein in den Lehrstoff des Kurses integriert werden, um die vorgestellten Konzepte geeignet zu vertiefen und zu festigen. Neben den positiven Aspekten für die Lernenden weisen praktische Programmieraufgaben jedoch auch ein erhöhtes Frustpotential auf. Kryptische Fehlermeldungen und teils unbekannte Syntax überfordern insbesondere diejenigen Teilnehmer, welche zusätzlich mit konzeptionellen Missverständnissen zu kämpfen haben. Im Rahmen dieser Arbeit entwickeln und analysieren wir mehrere Interventionsmöglichkeiten um die Lernerfahrung und den Lernerfolg von Teilnehmern in Programmier-MOOCs zu verbessern. Daten von über 60.000 Teilnehmern aus vier Programmier-MOOCs bilden die Grundlage für eine Analyse von Kriterien für geeignete Programmieraufgaben für spezifische Teilnehmergruppen. Auf Basis von 5 Millionen Codeausführungen von Teilnehmern leiten wir Schwachstellen in Aufgaben und typische Herangehensweisen der Teilnehmer ab. Die Hauptschwierigkeit beim Lernen in einer virtuellen Umgebung ist die durch physische Isolation hervorgerufene soziale Entkopplung. Jeder Teilnehmer lernt alleine vor einem Bildschirm, ein gemeinsamer Stundenplan wie im klassischen Schulunterricht fehlt. Weiterhin präsentieren bestehende online Kurse den Teilnehmern in der Regel lediglich universell einsetzbare Lerninhalte, welche in keiner Weise auf die jeweiligen Bedürfnisse und Vorerfahrungen der individuellen Teilnehmer angepasst sind. Personalisierte Lerninhalte bzw. individuelles Feedback sind in MOOCs aufgrund der großen Anzahl an Teilnehmern und der nur kleinen Anzahl an Lehrenden oft nur schwer bzw. gar nicht zu realisieren. Daraus resultieren wiederum hohe Anforderungen an das individuelle Durchhaltevermögen und die Selbstmotivation der MOOC-Teilnehmer. Die soziale Entkopplung manifestiert sich sowohl zwischen den Teilnehmern untereinander als auch zwischen den Lehrenden und den Teilnehmern. Negative Folgen sind ein häufig verringertes Engagement und damit eine Gefährdung des Lernerfolgs. In dieser Arbeit schlagen wir als Gegenmaßnahme skalierbare technische Lösungen vor, um die soziale Interaktion zu verbessern und inhaltliche Schwierigkeiten zu überwinden. Unsere wissenschaftlichen Beiträge umfassen situationsabhängige Interventionen, Ansätze zur Personalisierung von Lerninhalten, sowie Konzepte und Anreize zur Verbesserung der Kollaboration der Teilnehmer untereinander. Mit diesen Maßnahmen schaffen wir es, kontraproduktive Blockaden beim Lernen zu lösen und stellen damit einen universell einsetzbaren Ansatz zur Verbesserung von zukünftigen Progammier-MOOCs bereit. Die aus unseren Experimenten gesammelten Daten zeigen, dass bei Programmierproblemen gewährtes Feedback von anderen Teilnehmern die Gesamtpunktzahl innerhalb des Teilnehmerfeldes durchschnittlich um bis zu 17% verbessert. Bereits das Formulieren des jeweiligen individuellen Problems verbesserte die Gesamtpunktzahl um etwa 14%. Durch situative Interventionen konnte weiterhin der Anteil der Teilnehmer, die nach Hilfe fragen, um bis zu 158% gesteigert werden. Die gesammelten Daten aus unseren vier MOOCs ermöglichen darüber hinaus detaillierte Einblicke in das Lernverhalten der Teilnehmer. Wir zeigen zusätzlich Erkenntnisse in Bezug auf das Verhalten der Teilnehmer und zu demografischen Faktoren auf. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ansätze, die geschaffene technische Infrastruktur, das entworfene Lehrmaterial, sowie der umfangreiche gesammelte Datenbestand bilden darüber hinaus eine vielversprechende Grundlage für weitere zukünftige Forschung. KW - programming KW - MOOC KW - intervention KW - collaboration KW - peer feedback KW - Programmierung KW - MOOC KW - Interventionen KW - Kollaboration KW - Peer-feedback Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-507587 ER - TY - THES A1 - Teichmann, Erik T1 - Partial synchronization in coupled systems with repulsive and attractive interaction T1 - Partielle Synchronisation in Gekoppelten System mit Abstoßender und Anziehender Wechselwirkung N2 - Partial synchronous states exist in systems of coupled oscillators between full synchrony and asynchrony. They are an important research topic because of their variety of different dynamical states. Frequently, they are studied using phase dynamics. This is a caveat, as phase dynamics are generally obtained in the weak coupling limit of a first-order approximation in the coupling strength. The generalization to higher orders in the coupling strength is an open problem. Of particular interest in the research of partial synchrony are systems containing both attractive and repulsive coupling between the units. Such a mix of coupling yields very specific dynamical states that may help understand the transition between full synchrony and asynchrony. This thesis investigates partial synchronous states in mixed-coupling systems. First, a method for higher-order phase reduction is introduced to observe interactions beyond the pairwise one in the first-order phase description, hoping that these may apply to mixed-coupling systems. This new method for coupled systems with known phase dynamics of the units gives correct results but, like most comparable methods, is computationally expensive. It is applied to three Stuart-Landau oscillators coupled in a line with a uniform coupling strength. A numerical method is derived to verify the analytical results. These results are interesting but give importance to simpler phase models that still exhibit exotic states. Such simple models that are rarely considered are Kuramoto oscillators with attractive and repulsive interactions. Depending on how the units are coupled and the frequency difference between the units, it is possible to achieve many different states. Rich synchronization dynamics, such as a Bellerophon state, are observed when considering a Kuramoto model with attractive interaction in two subpopulations (groups) and repulsive interactions between groups. In two groups, one attractive and one repulsive, of identical oscillators with a frequency difference, an interesting solitary state appears directly between full and partial synchrony. This system can be described very well analytically. N2 - Partiell synchronisierte Zustände existieren zwischen voller Synchronisation und Asynchronie, in Systemen von gekoppelten Oszillatoren. Das Verständnis von partieller Synchronisation ist ein wichtiger Forschungszweig, da sie viele dynamische Zustände enthalten. Sie werden oft mithilfe von Phasendynamiken untersucht. Das ist jedoch ein Nachteil, da Phasendynamiken für gewöhnlich nur im Grenzfall von schwacher Kopplung, also einer Näherung in erster Ordnung der Kopplungsstärke, betrachtet werden. Die Verallgemeinerung zu höheren Ordnungen ist weiterhin ein offenes Problem. Systeme mit anziehender und abstoßender Kopplung zwischen den einzelnen Oszillatoren sind von speziellem Interesse in der Erforschung von partieller Synchronisation. Solch eine Mischung aus Kopplungsstärken führt zu bestimmten dynamischen Zuständen, die den Übergang von Synchronisation zu Asynchronie erklären könnten. Diese Arbeit untersucht solche Zustände in Systemen mit gemischten Kopplungsstärken. Zuerst wird eine neue Methode zur Bestimmung von Phasendynamiken in höheren Ordnungen eingeführt. Sie betrachtet mehr Kopplungsterme, als die einfachen paarweisen Interaktionen die in der ersten Ordnung der Kopplungsstärke auftreten, in der Hoffnung, dass diese Methode auch auf Systeme mit gemischter Kopplung anwendbar ist. Die neue Methode für Oszillatoren mit einer bekannten Phasendynamik, führt zu den richtigen Ergebnissen, ist aber aufwendig zu berechnen. Die Methode wird auf drei, in einer Linie gekoppelten, Stuart-Landau Oszillatoren angewendet. Eine numerische Methode wird abgeleitet, um die analytischen Ergebnisse zu verifizieren. Diese Ergebnisse sind interessant, aber durch die benötigte hohe Rechenleistung ist es weiterhin vorteilhaft einfachere Phasenmodelle zu untersuchen, die exotischere Zustände erreichen. Solch ein einfaches Model, das eher selten Beachtung findet, ist das Kuramoto Model mit anziehender und abstoßender Kopplung. Abhängig davon, wie die Oszillatoren gekoppelt und wie die Frequenzunterschiede zwischen den einzelnen Oszillatoren sind, ist es möglich viele verschiedene Zustände zu erreichen. Interessante Synchronisierungsdynamiken werden erreicht, wie zum Beispiel der Bellerophon Zustand, wenn ein Kuramoto Model mit zwei Gruppen, mit anziehender Kopplung innerhalb der Gruppen und abstoßender Kopplung zwischen den Gruppen, untersucht wird. Bei zwei Gruppen, eine anziehend und eine abstoßend, von identischen Oszillatoren mit einem Frequenzunterschied zwischen den Gruppen, wird ein interessanter solitärer Zustand beobachtet. Er befindet sich direkt am Übergang zwischen Synchronisation und partieller Synchronisation. Solch ein System ist sehr gut analytisch beschreibbar. KW - Synchronization KW - Dynamical Systems KW - Coupled Systems KW - gekoppelte System KW - dynamische Systeme KW - Synchronisation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-528943 ER - TY - THES A1 - Tabares Jimenez, Ximena del Carmen T1 - A palaeoecological approach to savanna dynamics and shrub encroachment in Namibia N2 - The spread of shrubs in Namibian savannas raises questions about the resilience of these ecosystems to global change. This makes it necessary to understand the past dynamics of the vegetation, since there is no consensus on whether shrub encroachment is a new phenomenon, nor on its main drivers. However, a lack of long-term vegetation datasets for the region and the scarcity of suitable palaeoecological archives, makes reconstructing past vegetation and land cover of the savannas a challenge. To help meet this challenge, this study addresses three main research questions: 1) is pollen analysis a suitable tool to reflect the vegetation change associated with shrub encroachment in savanna environments? 2) Does the current encroached landscape correspond to an alternative stable state of savanna vegetation? 3) To what extent do pollen-based quantitative vegetation reconstructions reflect changes in past land cover? The research focuses on north-central Namibia, where despite being the region most affected by shrub invasion, particularly since the 21st century, little is known about the dynamics of this phenomenon. Field-based vegetation data were compared with modern pollen data to assess their correspondence in terms of composition and diversity along precipitation and grazing intensity gradients. In addition, two sediment cores from Lake Otjikoto were analysed to reveal changes in vegetation composition that have occurred in the region over the past 170 years and their possible drivers. For this, a multiproxy approach (fossil pollen, sedimentary ancient DNA (sedaDNA), biomarkers, compound specific carbon (δ13C) and deuterium (δD) isotopes, bulk carbon isotopes (δ13Corg), grain size, geochemical properties) was applied at high taxonomic and temporal resolution. REVEALS modelling of the fossil pollen record from Lake Otjikoto was run to quantitatively reconstruct past vegetation cover. For this, we first made pollen productivity estimates (PPE) of the most relevant savanna taxa in the region using the extended R-value model and two pollen dispersal options (Gaussian plume model and Lagrangian stochastic model). The REVEALS-based vegetation reconstruction was then validated using remote sensing-based regional vegetation data. The results show that modern pollen reflects the composition of the vegetation well, but diversity less well. Interestingly, precipitation and grazing explain a significant amount of the compositional change in the pollen and vegetation spectra. The multiproxy record shows that a state change from open Combretum woodland to encroached Terminalia shrubland can occur over a century, and that the transition between states spans around 80 years and is characterized by a unique vegetation composition. This transition is supported by gradual environmental changes induced by management (i.e. broad-scale logging for the mining industry, selective grazing and reduced fire activity associated with intensified farming) and related land-use change. Derived environmental changes (i.e. reduced soil moisture, reduced grass cover, changes in species composition and competitiveness, reduced fire intensity) may have affected the resilience of Combretum open woodlands, making them more susceptible to change to an encroached state by stochastic events such as consecutive years of precipitation and drought, and by high concentrations of pCO2. We assume that the resulting encroached state was further stabilized by feedback mechanisms that favour the establishment and competitiveness of woody vegetation. The REVEALS-based quantitative estimates of plant taxa indicate the predominance of a semi-open landscape throughout the 20th century and a reduction in grass cover below 50% since the 21st century associated with the spread of encroacher woody taxa. Cover estimates show a close match with regional vegetation data, providing support for the vegetation dynamics inferred from multiproxy analyses. Reasonable PPEs were made for all woody taxa, but not for Poaceae. In conclusion, pollen analysis is a suitable tool to reconstruct past vegetation dynamics in savannas. However, because pollen cannot identify grasses beyond family level, a multiproxy approach, particularly the use of sedaDNA, is required. I was able to separate stable encroached states from mere woodland phases, and could identify drivers and speculate about related feedbacks. In addition, the REVEALS-based quantitative vegetation reconstruction clearly reflects the magnitude of the changes in the vegetation cover that occurred during the last 130 years, despite the limitations of some PPEs. This research provides new insights into pollen-vegetation relationships in savannas and highlights the importance of multiproxy approaches when reconstructing past vegetation dynamics in semi-arid environments. It also provides the first time series with sufficient taxonomic resolution to show changes in vegetation composition during shrub encroachment, as well as the first quantitative reconstruction of past land cover in the region. These results help to identify the different stages in savanna dynamics and can be used to calibrate predictive models of vegetation change, which are highly relevant to land management. N2 - Die Ausbreitung von Sträuchern in der namibischen Savanne wirft Fragen nach der Resilienz dieser Ökosysteme gegenüber globalen Veränderungen auf. Dies macht es notwendig, die Vegetationsdynamik in der Vergangenheit zu verstehen, da kein Konsens darüber besteht, ob die Verbuschung ein neues Phänomen ist oder über ihre Haupttreiber. Aufgrund des Mangels an Langzeitvegetationsdatensätzen für die Region und des Mangels an geeigneten paläoökologischen Archiven bleibt die Rekonstruktion der früheren Vegetation und der früheren Landbedeckung der Savannen eine Herausforderung. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Studie mit drei Hauptforschungsfragen: 1) Ist Pollenanalyse ein geeignetes Instrument, um die Veränderung der Vegetation widerzuspiegeln, die mit der Verbuschung von Savannen verbunden ist? 2) Entspricht die derzeitige verbuschte Landschaft einem stabilen Zustand der Savannenvegetation? 3) Inwieweit entspricht die quantitative Rekonstruktion der Vegetation auf der Grundlage fossiler Pollendaten der früheren Vegetationsbedeckung der Savanne? Um diese Fragen zu beantworten, konzentrierte sich diese Forschung auf Nord-Zentral-Namibia, da diese Region insbesondere seit dem 21. Jahrhundert am stärksten von Verbuschung betroffen ist, über die Dynamik dieses Phänomens in der Region ist jedoch wenig bekannt. Im Rahmen dieser Studie wurden feldbasierte Vegetationsdaten mit modernen Pollendaten verglichen, um das Potenzial moderner Pollen zu bewerten, die Vegetationszusammensetzung und -vielfalt entlang von Niederschlags- und Weideintensitätsgradienten widerzuspiegeln. Zusätzlich wurden zwei Sedimentkerne aus dem Otjikoto-See analysiert, um die Veränderungen der Vegetationszusammensetzung in der Region in den letzten 170 Jahren und ihre möglichen Treiber zu dokumentieren. Hierzu wurde ein Multiproxy-Ansatz (fossiler Pollen, sedimentäre alte DNA, Biomarker, verbindungsspezifische Kohlenstoff- (δ13C) und Deuterium- (δD) Isotope, Kohlenstoff-Isotope (δ13Corg), Korngröße, geochemische Eigenschaften) mit hoher taxonomischer und zeitlicher Auflösung angewendet. Schließlich wurde der REVEALS-Ansatz auf den fossilen Pollendata des Otjikoto-Sees angewendet, um die Vegetationsbedeckung der Vergangenheit quantitativ zu rekonstruieren. Dazu wurden zunächst die Pollenproduktivitätsschätzungen (PPE) der relevantesten Savannentaxa in der Region unter Verwendung des erweiterten R-Wert-Modells und zweier Pollenausbreitungsmodelle (Gaußsches Federmodell und Lagrange-Stochastikmodell) berechnet. Die auf REVEALS basierende Vegetationsrekonstruktion wurde dann unter Verwendung von auf Fernerkundung basierenden regionalen Vegetationsdaten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass moderner Pollen die Zusammensetzung der Vegetation gut widerspiegelt, jedoch weniger die Diversität. Interessanterweise machen Niederschlag und Beweidung einen signifikanten, aber geringen Anteil der Änderung der Zusammensetzung in den Pollen- und Vegetationsspektren aus. Die Multiproxy-Analyse zeigt, dass ein Zustandswechsel von der offenen Combretum Baumsavanne zum Terminalia Buschland über ein Jahrhundert stattfinden kann und dass der Übergang zwischen den beiden Zuständen etwa 80 Jahre dauert und durch eine einzigartige Vegetationszusammensetzung gekennzeichnet ist. Dieser Übergang wird durch allmähliche Umweltveränderungen unterstützt, die durch das Management (z.B. großflächige Abholzung für den Bergbau sowie selektive Beweidung und verringerte Feueraktivität verbunden mit intensivierter Landwirtschaft) und damit verbundene Landnutzungsänderungen hervorgerufen werden. Abgeleitete Umweltveränderungen (z.B. verringerte Bodenfeuchtigkeit, verringerte Grasbedeckung, Änderungen der Artenzusammensetzung und Konkurrenzfähigkeit, verringerte Feuerintensität) können die Resilienz der offenen Combretum Baumsavanne beeinträchtigt haben und sie anfälliger machen, durch stochastische Ereignisse wie aufeinanderfolgende niederschlagsreiche Jahre, Dürre, und durch hohe Konzentrationen von pCO2, in einen verbuschten Zustand zu wechseln. Der daraus resultierende verbuschte Zustand wird durch Rückkopplungsmechanismen aufrechterhalten, welche die Etablierung und Konkurrenzfähigkeit der Holzvegetation begünstigen. Schließlich deuten die auf REVEALS basierenden Deckungsschätzungen auf das Vorherrschen einer halboffenen Landschaft während des gesamten 20. Jahrhunderts und eine Verringerung der Grasbedeckung unter 50% seit dem 21. Jahrhundert hin, die mit der Verbreitung von Verbuschungstaxa verbunden ist. Deckungsschätzungen zeigen eine enge Übereinstimmung mit regionalen Vegetationsdaten, wodurch die aus der Multi-Proxy-Analyse abgeleitete Vegetationsdynamik bestätigt werden kann. Die PPE-Berechnung war für alle holzigen Taxa erfolgreich, für Poaceae jedoch fehlgeschlagen. Zusammenfassend ist die Pollenanalyse ein geeignetes Instrument zur Rekonstruktion der Vegetationsdynamik in Savannen. Aufgrund der geringen taxonomischen Auflösung von Pollen zur Identifizierung von Gräsern ermöglicht ein Multiproxy-Ansatz, insbesondere die Verwendung von sedaDNA, die Unterscheidung stabiler verbuschte Zustände von bloßen Waldphasen sowie die Identifizierung von Auslösern und Treibern von Zustandsänderungen. Darüber hinaus spiegelt die auf REVEALS basierende quantitative Vegetationsrekonstruktion trotz der Einschränkungen bei der Berechnung von PPEs deutlich das Ausmaß der Veränderungen in der Vegetationsbedeckung wider, die in den letzten 130 Jahren aufgetreten sind. Diese Forschung liefert neue Einblicke in die Pollen-Vegetations-Beziehungen in Savannen und unterstreicht die Bedeutung von Multiproxy-Ansätzen zur Rekonstruktion der Vegetationsdynamik in semi-ariden Landschaften. Es bietet auch die erste Zeitreihe mit ausreichender taxonomischer Auflösung, um die Veränderungen der Vegetationszusammensetzung im Verlauf der Verbuschung sowie die erste quantitative Rekonstruktion der früheren Landbedeckung in der Region aufzuzeigen. Diese Ergebnisse können dazu beitragen, die verschiedenen Stadien der Savannendynamik besser zu identifizieren, und können auch zur Kalibrierung von Vorhersagemodellen für Vegetationsänderungen verwendet werden, die für die Landbewirtschaftung von großem Wert sind. T2 - Ein paläoökologischer Ansatz zur Savannendynamik und Verbuschung in Namibia KW - savanna ecology KW - pollen KW - sedaDNA KW - REVEALS KW - state-transition models KW - Savannen-Ökologie KW - REVEALS KW - sedimentäre alte DNA KW - Pollen KW - Pollenproduktivitätsschätzungen KW - Zustands-Übergangs-Modelle Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-492815 ER - TY - THES A1 - Stuff, Maria T1 - Iron isotope fractionation in carbonatite melt systems T1 - Fe-Isotopenfraktionierung in karbonatitischen Schmelzen N2 - Carbonatite magmatism is a highly efficient transport mechanism from Earth’s mantle to the crust, thus providing insights into the chemistry and dynamics of the Earth’s mantle. One evolving and promising tool for tracing magma interaction are stable iron isotopes, particularly because iron isotope fractionation is controlled by oxidation state and bonding environment. Meanwhile, a large data set on iron isotope fractionation in igneous rocks exists comprising bulk rock compositions and fractionation between mineral groups. Iron isotope data from natural carbonatite rocks are extremely light and of remarkably high variability. This resembles iron isotope data from mantle xenoliths, which are characterized by a variability in δ56Fe spanning three times the range found in basalts, and by the extremely light values of some whole rock samples, reaching δ56Fe as low as -0.69 ‰ in a spinel lherzolite. Cause to this large range of variations may be metasomatic processes, involving metasomatic agents like volatile bearing high-alkaline silicate melts or carbonate melts. The expected effects of metasomatism on iron isotope fractionation vary with parameters like melt/rock-ratio, reaction time, and the nature of metasomatic agents and mineral reactions involved. An alternative or additional way to enrich light isotopes in the mantle could be multiple phases of melt extraction. To interpret the existing data sets more knowledge on iron isotope fractionation factors is needed. To investigate the behavior of iron isotopes in the carbonatite systems, kinetic and equilibration experiments in natro-carbonatite systems between immiscible silicate and carbonate melts were performed in an internally heated gas pressure vessel at intrinsic redox conditions at temperatures between 900 and 1200 °C and pressures of 0.5 and 0.7 GPa. The iron isotope compositions of coexisting silicate melt and carbonate melt were analyzed by solution MC-ICP-MS. The kinetic experiments employing a Fe-58 spiked starting material show that isotopic equilibrium is obtained after 48 hours. The experimental studies of equilibrium iron isotope fractionation between immiscible silicate and carbonate melts have shown that light isotopes are enriched in the carbonatite melt. The highest Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) of 0.13 ‰ was determined in a system with a strongly peralkaline silicate melt composition (ASI ≥ 0.21, Na/Al ≤ 2.7). In three systems with extremely peralkaline silicate melt compositions (ASI between 0.11 and 0.14) iron isotope fractionation could analytically not be resolved. The lowest Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) of 0.02 ‰ was determined in a system with an extremely peralkaline silicate melt composition (ASI ≤ 0.11 , Na/Al ≥ 6.1). The observed iron isotope fractionation is most likely governed by the redox conditions of the system. Yet, in the systems, where no fractionation occurred, structural changes induced by compositional changes possibly overrule the influence of redox conditions. This interpretation implicates, that the iron isotope system holds the potential to be useful not only for exploring redox conditions in magmatic systems, but also for discovering structural changes in a melt. In situ iron isotope analyses by femtosecond laser ablation coupled to MC-ICP-MS on magnetite and olivine grains were performed to reveal variations in iron isotope composition on the micro scale. The investigated sample is a melilitite bomb from the Salt Lake Crater group at Honolulu (Oahu, Hawaii), showing strong evidence for interaction with a carbonatite melt. While magnetite grains are rather homogeneous in their iron isotope compositions, olivine grains span a far larger range in iron isotope ratios. The variability of δ56Fe in magnetite is limited from - 0.17 ‰ (± 0.11 ‰, 2SE) to +0.08 ‰ (± 0.09 ‰, 2SE). δ56Fe in olivine range from -0.66‰ (± 0.11 ‰, 2SE) to +0.10 ‰ (± 0.13 ‰, 2SE). Olivine and magnetite grains hold different informations regarding kinetic and equilibrium fractionation due to their different Fe diffusion coefficients. The observations made in the experiments and in the in situ iron isotope analyses suggest that the extremely light iron isotope signatures found in carbonatites are generated by several steps of isotope fractionation during carbonatite genesis. These may involve equilibrium and kinetic fractionation. Since iron isotopic signatures in natural systems are generated by a combination of multiple factors (pressure, temperature, redox conditions, phase composition and structure, time scale), multi tracer approaches are needed to explain signatures found in natural rocks. N2 - Karbonatitische Schmelzen, die im Erdmantel gebildet werden, transportieren Material aus dem Erdmantel zur Erdkruste und ermöglichen somit Einblicke in Chemismus und Dynamiken des Erdmantels. Die Analyse stabiler Eisenisotopenverhältnisse ist eine neue und vielversprechende Methode um Schmelzprozesse und Interaktionen von Schmelzen im Erdmantel nachzuverfolgen, insbesondere da Eisenisotopenfraktionierung vom Oxidationszustand und der Bindungsumgebung in der Schmelze abhängig ist. Mittlerweile existiert ein großer Datensatz zur Eisenisotopenfraktionierung in magmatischen Gesteinen, der sowohl Zusammensetzungen von Gesamtgesteinen als auch von separierten Mineralgruppen umfasst. Karbonatite weisen extrem leichte Eisenisotopensignaturen und gleichzeitig eine breite Spannweite der δ56Fe auf. Darin ähneln sie Mantelxenolithen, die ebenfalls sehr variable und teilweise extrem leichte δ56Fe aufweisen, wie zum Beispiel -0.69 ‰ in einem Spinelllherzolith. Ein möglicher Grund für diese große Spannweite sind metasomatische Prozesse, an denen Fluide wie hochalkalische Silikatschmelzen oder Karbonatschmelzen beteiligt sind. Welche Auswirkung Metasomatose auf die Eisenisotopenfraktionierung hat, hängt von Parametern wie dem Verhältnis von Schmelze zu Gestein, der Reaktionszeit und der Art der beteiligten metasomatischen Fluide sowie den Mineralreaktionen ab. Auch mehrere aufeinanderfolgende Phasen der Schmelzextraktion könnten zur Heterogenisierung von Teilen des Erdmantels beigetragen haben. Bisher existieren allerdings nur wenige Untersuchungen zur Eisenisotopenfraktionierung zwischen Silikat- und Karbonatphasen. Um Eisenisotopenfraktionierung im Karbonatitsystem besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente im Natrokarbonatitsystem durchgeführt. Dazu wurden unmischbare Silikat- und Karbonatschmelzen bei Temperaturen zwischen 900 und 1200 °C und Drücken von 0,5 und 0,7 GPa in einem intern beheizten Autoklaven bei intrinsischen Redoxbedingungen equilibriert. Im Anschluss wurden die Silikat- und Karbonatschmelzen separiert, aufgeschlossen und die Eisenisotopenverhältnisse beider Phasen mittels MC-ICP-MS analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Proben nach spätestens 48 Stunden Fe-isotopisch equilibriert sind und dass im Gleichgewicht leichte Eisenisotope in der Karbonatschmelze angereichert sind. Die größte Isotopenfraktionierung von Δ56Fesil.m.-carb.melt (mean) = 0,13 ‰ wurde in einem System mit stark peralkalischer Zusammensetzung der Silikatschmelze (ASI ≥ 0,21, Na/Al ≤ 2,7) gemessen. In den Systemen mit extrem peralkalischer Zusammensetzung der Silikatschmelze (ASI zwischen 0,11 and 0,14) hingegen war die Eisenisotopenfraktionierung analytisch nicht auflösbar. Zusätzlich wurde die Eisenisotopenfraktionierung zwischen Magnetit- und Olivinkörnern in situ mittels UV-Femtosekunden-Laserablation gekoppelt mit MC-ICP-MS untersucht. Bei der Probe handelt es sich um eine Melilititbombe aus der Salt-Lake-Crater-Gruppe in Honolulu (Oahu, Hawaii), die deutliche Anzeichen für Kontakt mit einer karbonatitischen Schmelze aufweist. Während die Magnetite eher homogen hinsichtlich ihrer Eisenisotopenzusammensetzung sind (-0,17 ‰, ± 0,11 ‰, 2SE, to +0,08 ‰, ± 0,09 ‰, 2SE), weisen die Olivine eine weitaus größere Spannweite an δ56Fe auf (-0,66 ‰, ± 0,11 ‰, 2SE, to +0,10 ‰, ± 0,13 ‰, 2SE). Da Eisen unterschiedliche Diffusionskoeffizienten in Olivin und Magnetit hat, sind in beiden unterschiedliche Informationen zur kinetischen und Gleichgewichtsisotopenfraktionierung enthalten. Die Beobachtungen aus den Experimenten und in den Eisenisotopenanalysen in situ deuten darauf hin, dass die extrem leichten Eisenisotopensignaturen in Karbonatiten durch Isotopenfraktionierung in mehreren Schritten während der Karbonatitgenese entstanden sind, die sowohl Gleichgewichts- als auch kinetische Fraktionierung umfassen können. Da die Eisenisotopensignaturen in natürlichen Systemen durch eine Kombination mehrerer Faktoren (Druck, Temperatur, Redoxbedingungen, Phasenzusammensetzung und -struktur, Zeitskala) entstehen, werden Multi-Tracer-Ansätze benötigt, um die in natürlichen Gesteinen beobachteten Signaturen zu erklären. KW - MC-ICP-MS KW - silicate melt KW - carbonate melt KW - melilitite KW - UV fs laser ablation KW - MC-ICP-MS KW - Silikatschmelze KW - Karbonatschmelze KW - IHPV KW - Melilitit Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519928 ER - TY - THES A1 - Stojanovic, Vladeta T1 - Digital twins for indoor built environments T1 - Digitale Zwillinge für gebaute Innenumgebungen N2 - One of the key challenges in modern Facility Management (FM) is to digitally reflect the current state of the built environment, referred to as-is or as-built versus as-designed representation. While the use of Building Information Modeling (BIM) can address the issue of digital representation, the generation and maintenance of BIM data requires a considerable amount of manual work and domain expertise. Another key challenge is being able to monitor the current state of the built environment, which is used to provide feedback and enhance decision making. The need for an integrated solution for all data associated with the operational life cycle of a building is becoming more pronounced as practices from Industry 4.0 are currently being evaluated and adopted for FM use. This research presents an approach for digital representation of indoor environments in their current state within the life cycle of a given building. Such an approach requires the fusion of various sources of digital data. The key to solving such a complex issue of digital data integration, processing and representation is with the use of a Digital Twin (DT). A DT is a digital duplicate of the physical environment, states, and processes. A DT fuses as-designed and as-built digital representations of built environment with as-is data, typically in the form of floorplans, point clouds and BIMs, with additional information layers pertaining to the current and predicted states of an indoor environment or a complete building (e.g., sensor data). The design, implementation and initial testing of prototypical DT software services for indoor environments is presented and described. These DT software services are implemented within a service-oriented paradigm, and their feasibility is presented through functioning and tested key software components within prototypical Service-Oriented System (SOS) implementations. The main outcome of this research shows that key data related to the built environment can be semantically enriched and combined to enable digital representations of indoor environments, based on the concept of a DT. Furthermore, the outcomes of this research show that digital data, related to FM and Architecture, Construction, Engineering, Owner and Occupant (AECOO) activity, can be combined, analyzed and visualized in real-time using a service-oriented approach. This has great potential to benefit decision making related to Operation and Maintenance (O&M) procedures within the scope of the post-construction life cycle stages of typical office buildings. N2 - Eine der wichtigsten Herausforderungen im modernen Facility Management (FM) besteht darin, den aktuellen Zustand der gebauten Umgebung digital wiederzugeben und die tatsächliche mit der geplanten Gebäudedarstellung zu vergleichen. Während die Verwendung von Building Information Modeling (BIM) das Problem der digitalen Darstellung lösen kann, erfordert die Generierung und Pflege von BIM-Daten einen erheblichen manuellen Aufwand und Fachkenntnisse. Eine weitere wichtige Herausforderung besteht darin, den aktuellen Zustand der gebauten Umgebung zu überwachen, um Feedback zu geben und die Entscheidungsfindung zu verbessern. Die Notwendigkeit einer integrierten Lösung für alle Daten im Zusammenhang mit dem Betriebslebenszyklus eines Gebäudes wird immer deutlicher, da derzeit Praktiken aus Industrie 4.0 evaluiert und für die FM-Nutzung übernommen werden. Diese Studie präsentiert einen Ansatz zur digitalen Darstellung von Innenräumen in ihrem aktuellen Zustand innerhalb des Lebenszyklus eines bestimmten Gebäudes. Ein solcher Ansatz erfordert die Fusion verschiedener Quellen digitaler Daten. Der Schlüssel zur Lösung eines solch komplexen Problems der Integration, Verarbeitung und Darstellung digitaler Daten liegt in der Verwendung eines Digital Twin (DT). Ein DT ist ein digitales Duplikat der physischen Umgebung, Zustände und Prozesse. Ein DT verschmilzt die entworfenen und gebauten digitalen Darstellungen der gebauten Umwelt mit aktuellen Repräsentationsdaten, typischerweise in Form von Grundrissen, Punktwolken und BIMs, mit zusätzlichen Informationsebenen, die sich auf die aktuellen und vorhergesagten Zustände einer Innenumgebung oder eines kompletten Gebäudes beziehen (z.B. Sensordaten). Das Design, die Implementierung und die ersten Tests prototypischen DT-Software-Dienstleistungen für Innenräume werden vorgestellt und beschrieben. Die DT-Software-Dienstleistungen werden innerhalb eines serviceorientierten Paradigmas implementiert, und ihre Machbarkeit wird durch funktionierende und getestete wichtige Softwarekomponenten in prototypischen SOS-Implementierungen dargestellt. Das Hauptergebnis dieser Forschung zeigt, dass Schlüsseldaten in Bezug auf die gebaute Umgebung semantisch angereichert und kombiniert werden können, um digitale Darstellungen von Innenumgebungen basierend auf dem Konzept eines DT zu ermöglichen. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Forschung, dass digitale Daten in Bezug auf FM und Architektur, Bauwesen, Ingenieurwesen, Eigentümer- und Insassenaktivitäten mithilfe eines serviceorientierten Ansatzes in Echtzeit kombiniert, analysiert und visualisiert werden können. Dies hat ein großes Potenzial für die Entscheidungsfindung in Bezug auf Betriebsund Wartungsverfahren im Rahmen der Lebenszyklusphasen typischer Bürogebäude nach dem Bau. KW - Digital Twin KW - BIM KW - Point Clouds KW - Service-Oriented Systems KW - 3D Visualization KW - Data Analytics KW - Machine Learning KW - Deep Learning KW - Semantic Enrichment KW - Indoor Point Clouds KW - Real Estate 4.0 KW - Facility Management KW - Building Management KW - Sensor Analytics KW - Visualization KW - 3D-Visualisierung KW - Gebäudeinformationsmodellierung KW - Gebäudemanagement KW - Daten-Analytik KW - Tiefes Lernen KW - Digitaler Zwilling KW - Indoor-Punktwolken KW - Maschinelles Lernen KW - Punktwolken KW - Immobilien 4.0 KW - Semantische Anreicherung KW - Sensor-Analytik KW - Service-Orientierte Systeme KW - Visualisierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509134 ER -