TY - THES A1 - Schwartze, Michael T1 - Adaption to temporal structure T2 - MPI series in human cognitive and brain sciences Y1 - 2012 SN - 978-3-941504-22-6 VL - 138 PB - Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften CY - Leipzig ER - TY - THES A1 - Geyer, Juliane T1 - Adapting biodiversity conservation management to climate change Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Arboleda Zapata, Mauricio T1 - Adapted inversion strategies for electrical resistivity data to explore layered near-surface environments N2 - The electrical resistivity tomography (ERT) method is widely used to investigate geological, geotechnical, and hydrogeological problems in inland and aquatic environments (i.e., lakes, rivers, and seas). The objective of the ERT method is to obtain reliable resistivity models of the subsurface that can be interpreted in terms of the subsurface structure and petrophysical properties. The reliability of the resulting resistivity models depends not only on the quality of the acquired data, but also on the employed inversion strategy. Inversion of ERT data results in multiple solutions that explain the measured data equally well. Typical inversion approaches rely on different deterministic (local) strategies that consider different smoothing and damping strategies to stabilize the inversion. However, such strategies suffer from the trade-off of smearing possible sharp subsurface interfaces separating layers with resistivity contrasts of up to several orders of magnitude. When prior information (e.g., from outcrops, boreholes, or other geophysical surveys) suggests sharp resistivity variations, it might be advantageous to adapt the parameterization and inversion strategies to obtain more stable and geologically reliable model solutions. Adaptations to traditional local inversions, for example, by using different structural and/or geostatistical constraints, may help to retrieve sharper model solutions. In addition, layer-based model parameterization in combination with local or global inversion approaches can be used to obtain models with sharp boundaries. In this thesis, I study three typical layered near-surface environments in which prior information is used to adapt 2D inversion strategies to favor layered model solutions. In cooperation with the coauthors of Chapters 2-4, I consider two general strategies. Our first approach uses a layer-based model parameterization and a well-established global inversion strategy to generate ensembles of model solutions and assess uncertainties related to the non-uniqueness of the inverse problem. We apply this method to invert ERT data sets collected in an inland coastal area of northern France (Chapter~2) and offshore of two Arctic regions (Chapter~3). Our second approach consists of using geostatistical regularizations with different correlation lengths. We apply this strategy to a more complex subsurface scenario on a local intermountain alluvial fan in southwestern Germany (Chapter~4). Overall, our inversion approaches allow us to obtain resistivity models that agree with the general geological understanding of the studied field sites. These strategies are rather general and can be applied to various geological environments where a layered subsurface structure is expected. The flexibility of our strategies allows adaptations to invert other kinds of geophysical data sets such as seismic refraction or electromagnetic induction methods, and could be considered for joint inversion approaches. N2 - Die ERT-Methode (Electrical Resistivity Tomography) wird häufig zur Untersuchung geologischer, geotechnischer und hydrogeologischer Probleme im Binnenland und in Gewässern wie beispielsweise Seen, Flüssen oder dem Meer eingesetzt. Das Ziel der ERT-Methode ist es, zuverlässige Widerstandsmodelle des Untergrunds zu erhalten, die in Bezug auf die Struktur des Untergrundes und dessen petrophysikalischer Eigenschaften interpretiert werden können. Die Zuverlässigkeit der resultierenden Widerstandsmodelle hängt nicht nur von der Qualität der erfassten Daten ab, sondern auch von der angewendeten Inversionsstrategie. Die Inversion von ERT-Daten führt zu mehreren Lösungen, die die gemessenen Daten gleich gut erklären. Typische Inversionsansätze basieren auf verschiedenen deterministischen (lokalen) Strategien, die verschiedene Glättungs- und Dämpfungsstrategien berücksichtigen, um die Inversion zu stabilisieren. Diese Strategien haben jedoch den Nachteil, möglicherweise auftretende scharfe Grenzflächen zu verwischen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen der Untergrund durch Schichten mit scharfen Grenzflächen gekennzeichnet ist, die Schichten mit hohem Widerstandskontrast (z. B. bis zu mehreren Größenordnungen) voneinander trennen. Wenn Vorwissen (z. B. aus Aufschlüssen, Bohrungen oder anderen geophysikalischen Untersuchungen) auf scharfe Widerstandsvariationen hindeutet, kann es von Vorteil sein, die Parametrisierungs- und Inversionsstrategien anzupassen, um stabilere und geologisch zuverlässige Modelllösungen zu erhalten. Anpassungen traditioneller lokaler Inversionen, beispielweise durch die Verwendung verschiedener struktureller und/oder geostatistischer Bedingungen, können helfen, schärfere Modelllösungen zu erhalten. Zusätzlich kann eine schichtbasierte Modellparametrisierung in Kombination mit lokalen oder globalen Inversionsansätzen verwendet werden, um Modelle mit scharfen Grenzen zu erhalten. In dieser Arbeit habe ich drei typische geschichtete oberflächennahe Umgebungen untersucht, in denen Vorabinformationen verwendet werden, um 2D-Inversionsstrategien so anzupassen, dass geschichtete Untergrundlösungen bevorzugt werden. In Zusammenarbeit mit den Co-Autoren der Kapitel 2-4 habe ich zwei allgemeine Strategien in Betracht gezogen. Unser erster Ansatz verwendet eine schichtbasierte Modellparametrisierung und eine gut etablierte globale Inversionsstrategie. Diese Strategie erzeugt Ensembles von Modelllösungen mithilfe derer die Unsicherheiten im Zusammenhang der Nicht-Eindeutigkeit des inversen Problems bewertet werden können. Wir wenden diese Methode an, um ERT-Datensätze zu invertieren, die in einem Binnenküstengebiet in Nordfrankreich (Kapitel 2) und vor der Küste zweier arktischer Regionen (Kapitel 3) gesammelt wurden. Unser zweiter Ansatz besteht darin, geostatistische Regularisierungen mit unterschiedlichen Korrelationslängen zu verwenden. Wir wenden diese Strategie auf ein komplexeres Untergrundszenario an, das sich auf einen lokalen Schwemmfächer in einem Mittelgebirge im Südwesten Deutshclands umfasst (Kapitel 4). Insgesamt ermöglichen uns unsere Inversionsansätze, Widerstandsmodelle zu erhalten, die mit dem allgemeinen geologischen Verständnis der untersuchten Feldstandorte übereinstimmen. Diese Strategien sind allgemeingültig und können in verschiedenen geologischen Umgebungen angewandt werden, in denen eine geschichtete Struktur des Untergrunds zu erwarten ist. Zudem erlaubt es die Flexibilität unserer Strategien, dass diese an die Inversion anderer geophysikalischer Datensätze wie seismischer Refraktionsmessungen oder elektromagentischer Induktionsverfahren angepasst werden können. Außerdem könnten solche Strategien für gemeinsame Inversionsansätze in Betracht gezogen werden. KW - Near-surface geophysics KW - Electrical resistivity tomography KW - Non-uniqueness KW - Global inversion KW - Particle swarm optimization KW - Ensemble analysis KW - Oberflächennahe Geophysik KW - Tomographie des elektrischen Widerstands KW - Nicht-Einmaligkeit KW - Globale Inversion KW - Partikelschwarm-Optimierung KW - Ensemble-Analyse Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-581357 ER - TY - THES A1 - Freudenberger, Lisa T1 - Adaptation of nature conservation to global change: an ecosystem-based approach to priority-setting Y1 - 2013 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Huth, Mario T1 - Adam von Trott der Ältere auf Himmelpfort und Badingen BT - die Anfänge eines märkischen Landadelsgeschlechts in der Reformationszeit mit seinen reichs-, territorial- und regionalgeschichtlichen Bezügen T2 - Studien zur brandenburgischen und vergleichenden Landesgeschichte N2 - Die landesgeschichtliche Forschung hat den Werdegang des märkischen Zweiges der Familie von Trott und seiner einzelnen Mitglieder bisher weitestgehend ignoriert. Mit der nun vorliegenden Arbeit soll der defizitären Informationslage abgeholfen und vor allem die Etablierung des Geschlechts in brandenburgischen Landen in den Fokus gerückt werden. Woher kamen dessen frühen Vertreter, wann und wo konnten sie in der Mark Fuß fassen? Welche reichs- und territorialpolitischen Prozesse liefen zeitgleich ab, und wie beeinflussten diese eventuell den Werdegang dieser Familie? Konnte die Familie im Gegenzug eine Einflussnahme auf die Geschicke der Reichs- und Territorialpolitik entwickeln? Welche Spuren hinterließ sie in der märkischen Region? Während eines umfangreichen Literatur- und Quellenstudiums kristallisierte sich bei dem Versuch, diese Fragen eingehend zu beantworten, die Persönlichkeit Adam von Trott des Älteren († 1564) heraus. Um das Jahr 1500 in der Landgrafschaft Hessen geboren, führten ihn sein Ehrgeiz und seine Zielstrebigkeit in den wechselhaften geschichtlichen Zeitläufen der Reformation bald an den Hof des brandenburgischen Kurfürsten Joachim II., wo er eine nahezu beispiellose Karriere absolvierte. Nebenher akkumulierte er durch die Übernahme weitläufiger Ländereien der säkularisierten Mönchszisterze Himmelpfort enormen Erblehnsbesitz in der Uckermark, dessen Konsolidierung sich die nachfolgende Generation der märkischen Trott verschrieb. Welche Schwierigkeiten und Fährnisse Adam und seine Nachkommen dabei zu bewältigen hatten, möchte der vorliegende Band klären. Y1 - 2018 SN - 978-3-86732-317-8 IS - 21 PB - Lukas Verlag CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Schumacher, Reinhard T1 - Adam Smith, foreign trade and economic development BT - essays in historiographic revision Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Vardi, Shmuel T1 - Ada (Fishman) Maimon BT - An intellectual biography Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Markov, Adrian T1 - Acute effects of exercise order in concurrent training on immunological stress responses and measures of muscular fitness in youth athletes of both sexes N2 - Background and aims: To succeed in competition, elite team and individual athletes often seek the development of both, high levels of muscle strength and power as well as cardiorespiratory endurance. In this context, concurrent training (CT) is a commonly applied and effective training approach. While being exposed to high training loads, youth athletes (≤ 18 years) are yet underrepresented in the scientific literature. Besides, immunological responses to CT have received little attention. Therefore, the aims of this work were to examine the acute (< 15min) and delayed (≥ 6 hours) effects of dif-ferent exercise order in CT on immunological stress responses, muscular fitness, metabolic response, and rating of perceived exertion (RPE) in highly trained youth male and female judo athletes. Methods: A total of twenty male and thirteen female participants, with an average age of 16 ± 1.8 years and 14.4 ± 2.1 years, respectively, were included in the study. They were randomly assigned to two CT sessions; power-endurance versus endurance-power (i.e., study 1), or strength-endurance versus endurance-strength (i.e., study 2). Markers of immune response (i.e., white-blood-cells, granulocytes, lymphocytes, mon-ocytes, and lymphocytes, granulocyte-lymphocyte-ratio, and systemic-inflammation-index), muscular fitness (i.e., counter-movement jump [CMJ]), metabolic responses (i.e., blood lactate, glucose), and RPE were collected at different time points (i.e., PRE12H, PRE, MID, POST, POST6H, POST22H). Results (study 1): There were significant time*order interactions for white-blood-cells, lymphocytes, granulocytes, monocytes, granulocyte-lymphocyte-ratio, and systemic-inflammation-index. The power-endurance order resulted in significantly larger PRE-to-POST increases in white-blood-cells, monocytes, and lymphocytes while the endur-ance-power order resulted in significantly larger PRE-to-POST increases in the granu-locyte-lymphocyte-ratio and systemic-inflammation-index. Likewise, significantly larger increases from PRE-to-POST6H in white-blood-cells and granulocytes were observed following the power-endurance order compared to endurance-power. All markers of immune response returned toward baseline values at POST22H. Moreover, there was a significant time*order interaction for blood glucose and lactate. Following the endur-ance-power order, blood lactate and glucose increased from PRE-to-MID but not from PRE-to-POST. Meanwhile, in the power-endurance order blood lactate and glucose increased from PRE-to-POST but not from PRE-to-MID. A significant time*order inter-action was observed for CMJ-force with larger PRE-to-POST decreases in the endur-ance-power order compared to power-endurance order. Further, CMJ-power showed larger PRE-to-MID performance decreases following the power-endurance order, com-pared to the endurance-power order. Regarding RPE, significant time*order interactions were noted with larger PRE-to-MID values following the endurance-power order and larger PRE-to-POST values following the power-endurance order. Results (study 2): There were significant time*order interactions for lymphocytes, monocytes, granulocyte-lymphocyte-ratio, and systemic-inflammation-index. The strength-endurance order resulted in significantly larger PRE-to-POST increases in lymphocytes while the endurance-strength order resulted in significantly larger PRE-to-POST increases in the granulocyte-lymphocyte-ratio and systemic-inflammation-index. All markers of the immune system returned toward baseline values at POST22H. Moreover, there was a significant time*order interaction for blood glucose and lactate. From PRE-to-MID, there was a significantly greater increase in blood lactate and glu-cose following the endurance-strength order compared to strength-endurance order. Meanwhile, from PRE-to-POST there was a significantly higher increase in blood glu-cose following the strength-endurance order compared to endurance-strength order. Regarding physical fitness, a significant time*order interaction was observed for CMJ-force and CMJ-power with larger PRE-to-MID increases following the endurance-strength order compared to the strength-endurance order. For RPE, significant time*order interactions were noted with larger PRE-to-MID values following the endur-ance-power order and larger PRE-to-POST values following the power-endurance or-der. Conclusions: The primary findings from both studies revealed order-dependent effects on immune responses. In male youth judo athletes, the results demonstrated greater immunological stress responses, both immediately (≤ 15 min) and delayed (≥ 6 hours), following the power-endurance order compared to the endurance-power order. For female youth judo athletes, the results indicated higher acute, but not delayed, order-dependent changes in immune responses following the strength-endurance order compared to the endurance-strength order. It is worth noting that in both studies, all markers of immune system response returned to baseline levels within 22 hours. This suggests that successful recovery from the exercise-induced immune stress response was achieved within 22 hours. Regarding metabolic responses, physical fitness, and perceived exertion, the findings from both studies indicated acute (≤ 15 minutes) alterations that were dependent on the exercise order. These alterations were primarily influ-enced by the endurance exercise component. Moreover, study 1 provided substantial evidence suggesting that internal load measures, such as immune markers, may differ from external load measures. This indicates a disparity between immunological, perceived, and physical responses following both concurrent training orders. Therefore, it is crucial for practitioners to acknowledge these differences and take them into consideration when designing training programs. N2 - Hintergrund und Ziele: Um im Wettkampf erfolgreich zu sein, streben Elitesportler oft die Entwicklung einer hohen Muskelkraft und -leistung als auch der kardiorespiratorischen Ausdauer an. In diesem Zusammenhang ist das gleichzeitige Training von Kraft- und Ausdauer (CT) ein häufig angewandter und effektiver Trainingsansatz. Während Jugendliche (≤ 18 Jahre) hohen Trainingsbelastungen ausgesetzt sind, sind sie in der wissenschaftlichen Literatur noch unterrepräsentiert. Außerdem haben immunologische Reaktionen auf CT bisher wenig Aufmerksamkeit erhalten. Daher waren die Ziele dieser Arbeit, die akuten (< 15min) und verzögerten (≥ 6 Stunden) Auswirkungen unterschiedlicher Übungsreihenfolgen im CT auf immunologische Stressreaktionen, muskuläre Fitness, Stoffwechselreaktionen und empfundene Anstrengung (RPE) bei hochtrainierten jugendlichen männlichen und weiblichen Judosportlern zu untersuchen. Methoden: In die Studie wurden insgesamt zwanzig männliche und dreizehn weibliche Teilnehmer im Alter von durchschnittlich 16 ± 1,8 Jahren bzw. 14,4 ± 2,1 Jahren aufgenommen. Sie wurden zufällig zwei CT-Einheiten zugewiesen: Muskelpower-Ausdauer im Vergleich zu Ausdauer-Muskelpower (d. h. Studie 1) oder Kraft-Ausdauer im Vergleich zu Ausdauer-Kraft (d. h. Studie 2). Marker der Immunantwort (d. h. weiße Blutkörperchen, Granulozyten, Lymphozyten, Monozyten und Lymphozyten, Granulozyten-Lymphozyten-Verhältnis, und systemischer Entzündungsindex), muskuläre Fitness (d. h. counter-movement jump [CMJ]), Stoffwechselreaktionen (d. h. Blutlaktat, Blutglukose) und RPE wurden zu verschiedenen Zeitpunkten (d. h. PRE12H, PRE, MID, POST, POST6H, POST22H) erhoben. Ergebnisse (Studie 1): Es gab signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktionen für weiße Blutkörperchen, Lymphozyten, Granulozyten, Monozyten, das Granulozyten-Lymphozyten-Verhältnis und den systemischen Entzündungs-index. Die Reihenfolge Muskelpower-Ausdauer führte zu signifikant größeren PRE-bis-POST-Anstiegen bei weißen Blutkörperchen, Monozyten und Lymphozyten, während die Reihenfolge Ausdauer-Muskelpower zu signifikant größeren PRE-bis-POST-Anstiegen im Granulozyten-Lymphozyten-Verhältnis und dem systemischen Entzündungsindex führte. Ebenso wurden nach der Reihenfolge Muskelpower-Ausdauer signifikant größere Anstiege von PRE-bis-POST6H bei weißen Blutkörperchen und Granulozyten im Vergleich zur Reihenfolge Ausdauer-Muskelpower beobachtet. Alle Marker des Immunsystems kehrten bis POST22H wieder auf das Ausgangsniveau zurück. Darüber hinaus wurde eine signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktion für Blutglukose und Blutlaktat beobachtet. Nach der Reihenfolge Ausdauer-Kraft stiegen Blutlaktat und Blutglukose von PRE-bis-MID, aber nicht von PRE-bis-POST. Außerdem wurde eine signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktion für CMJ-Kraft beobachtet. Entsprechend zeigten sich größere PRE-bis-POST Verminderungen in der Ausdauer-Muskelpower Reihenfolge im Vergleich zu Muskelpower-Ausdauer. Außerdem zeigte die CMJ-Leistung einen größeren Leistungsverlust von PRE-bis-MID in der Muskelpower-Ausdauer Reihenfolge, im Vergleich zu Ausdauer-Muskelpower. Mit Blick auf RPE gab es ebenfalls signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktionen. Entsprechend waren die RPE-Werte höher von PRE-bis-MID nach der Ausdauer-Muskelpower Reihenfolge und von PRE-bis-POST nach der Muskelpower-Ausdauer Reihenfolge. Ergebnisse Studie 2: Beobachtet wurde eine signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktion für Lymphozyten, Monozyten, das Granulozyten-Lymphozyten-Verhältnis und den systemischen Entzündungsindex. Die Reihenfolge Kraft-Ausdauer hat zu signifikanten Steigerungen der Lymphozyten von PRE-bis-POST geführt, während die Ausdauer-Kraft Reihenfolge signifikante Anstiege des Granulozyten-Lymphozyten-Verhältnis und des systemischen Entzündungsindex zur Folge hatte. Alle Marker des Immunsystems kehrten bis POST22H wieder auf das Ausgangsniveau zurück. Darüber hinaus wurde eine signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktion für Blutglukose und Blutlaktat beobachtet. Von PRE-bis-MID gab es nach der Reihenfolge Ausdauer-Kraft im Vergleich zur Reihenfolge Kraft-Ausdauer einen signifikant größeren Anstieg von Blutlaktat und Blutglukose. Darüber hinaus gab es von PRE-bis-POST einen signifikant höheren Anstieg der Blutglukose nach der Reihenfolge Kraft-Ausdauer im Vergleich zur Reihenfolge Ausdauer-Kraft. In Bezug auf die körperliche Fitness wurde eine signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktion für CMJ-Kraft und CMJ-Leistung beobachtet, wobei größere PRE-bis-MID-Anstiege nach der Reihenfolge Ausdauer-Kraft im Vergleich zur Reihenfolge Kraft-Ausdauer zu verzeichnen waren. In Bezug auf die empfundene Anstrengung wurden signifikante Zeit*Reihenfolge-Interaktionen festgestellt. Hier kam es zu größeren PRE-bis-MID-Werten in Folge von Ausdauer-Kraft und größere PRE-bis-POST-Werte nach Kraft-Ausdauer. Schlussfolgerungen: Die Hauptergebnisse beider Studien zeigten reihenfolgeabhängige Auswirkungen auf Immunreaktionen. Bei männlichen jugendlichen Judosportlern zeigten die Ergebnisse größere immunologische Stressreaktionen, sowohl unmittelbar (≤ 15 min) als auch verzögert (≥ 6 Stunden), nach der Reihenfolge Muskelpower-Ausdauer im Vergleich zur Reihenfolge Ausdauer-Muskelpower. Bei weiblichen jugendlichen Judosportlern deuteten die Ergebnisse auf höhere akute, aber nicht verzögerte, reihenfolgeabhängige Immunreaktionen nach der Reihenfolge Kraft-Ausdauer im Vergleich zur Reihenfolge Ausdauer-Kraft hin. Es ist erwähnenswert, dass in beiden Studien alle Marker der Immunreaktion innerhalb von 22 Stunden auf das Ausgangsniveau zurückkehrten. Dies deutet darauf hin, dass eine erfolgreiche Erholung von der durch Bewegung verursachten Immunstressreaktion innerhalb von 22 Stunden erreicht wurde. In Bezug auf Stoffwechselreaktionen, körperliche Fitness und empfundene Anstrengung zeigten die Ergebnisse beider Studien akute (≤ 15 Minuten) Veränderungen, die von der Übungsreihenfolge abhängig waren. Diese Veränderungen wurden hauptsächlich durch die Ausdauerübungskomponente beeinflusst. Darüber hinaus lieferte Studie 1 Hinweise darauf, dass interne Belastungsmessungen, wie Immunmarker, von externen Belastungsmessungen wie beispielsweise RPE abweichen können. Dies deutet auf eine Diskrepanz zwischen immunologischen Reaktionen, körperlichen Leistungsfähigkeiten und empfundener Ermüdung nach beiden Trainingsreihenfolgen hin. Daher ist es für Praktiker wichtig, sich dieser Unterschiede bewusst zu sein und bei der Gestaltung von Trainingsprogrammen zu berücksichtigen. KW - concurrent training KW - combined strength and endurance KW - risk of infection KW - white blood cells KW - leukocytosis KW - adolescents KW - combat sports KW - Kombination aus Kraft und Ausdauer KW - Infektionsrisiko KW - weiße Blutkörperchen KW - Leukozytose KW - Jugendliche KW - Kampfsport KW - Profisportler KW - Concurrent Training Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-618517 ER - TY - THES A1 - Risch, Lucie T1 - Acute effect of exercise on sonographic detectable achilles tendon blood flow BT - differentiation between physiological and pathological blood flow Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Schirmack, Janosch T1 - Activity of methanogenic archaea under simulated Mars analog conditions T1 - Aktivität methanogener Archaeen unter simulierten Marsanalogen Bedingungen N2 - Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars. Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis. It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected. The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface. N2 - Die Vermutung vergleichbarer Umweltbedingungen des frühen Mars und der frühen Erde vor 3,7 Mrd. Jahren – der Zeitpunkt, zu dem die ersten fossilen Spuren des Lebens auf der Erde gefunden werden konnten – weisen auf die Möglichkeit hin, dass das Leben auf beiden Planeten parallel entstanden sein könnte. Als die Bedingungen auf dem Mars schlechter wurden, ist das hypothetische Leben dort entweder ausgestorben, oder es war in der Lage sich anzupassen und könnte noch heute in biologischen Nischen auf dem Planeten existieren. Die kontrovers diskutierte Detektion von Methan auf dem Mars führte zu der Annahme, dass dieses einen rezenten Ursprung haben muss – entweder abiotisch durch aktiven Vulkanismus oder chemische Prozesse oder aber durch biogene Produktion. Räumliche und saisonale Schwankungen der durch Fernerkundung gemessenen Methankonzentrationen, sowie die Korrelation zwischen dem Auftreten von Wasserdampf und im Untergrund detektiertem Wasserstoff zusammen mit lokal erhöhten Konzentrationen von Methan, befürworten die Hypothese einer biologischen Methanquelle auf dem Mars. Daher werden methanogene Archaeen, welche sich unter den Bedingungen der frühen Erde entwickelt haben, oft als Modellorganismen in astrobiologischen Studien zu potentiellem Leben auf unserem benachbarten Planeten Mars verwendet. In dieser Dissertation wurden methanogene Archaeen aus zwei extremen Habitaten auf der Erde auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, unter simulierten Mars-analogen Bedingungen aktiven Metabolismus zu zeigen. Die beiden extremen Habitate – der active layer des sibirischen Permafrosts und das auf Chemoautotrophie basierende terrestrische Ökosystem der Movile Höhle in Rumänien – gelten als Analoga für mögliche Habitate auf dem Mars. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Arten von methanogenen Archaeen beschrieben, die aus den beiden genannten extremen Habitaten isoliert worden sind. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass Mars-Regolith-Analoga, in Konzentrationen bis zu 1 Gew.-% zum Wachstumsmedium hinzugefügt, einen positiven Einfluss auf die Methanbildungsraten der getesteten Archaeen hatten, während höhere zugefügte Konzentrationen sinkende Raten verursachten. Dennoch war es den Organismen möglich, auf wassergesättigten künstlichen Böden aus Mars-Regolith-Analoga Methan zu produzieren, auch ohne Zugabe jeglicher weiterer Nährstoffe. Die Resistenz gegenüber Langzeit-Austrocknung von mehr als 400 Tagen wurde mittels Reinkubation sowie indirekter Zellzahlbestimmung von lebensfähigen Zellen nachgewiesen. Dies erfolgte durch eine Kombinationsbehandlung mit Propidium-Monoazide (zur Inaktivierung der DNA aus Zellen mit zerstörter Membran) und quantitativer PCR. Regolith-Analoga mit einem hohen Anteil an Phyllosilikaten schienen die besten Bodenmischungen für die metabolische Aktivität der getesteten methanogenen Archaeen unter Marsanalogen Bedingungen zu liefern. Des Weiteren konnte mittels einer Simulationskammer für den Permafrost-Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 Methanbildung unter Bedingungen analog zum Marsuntergrund nachgewiesen werden. Durch Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie konnte die Zunahme der Methankonzentration bei Temperaturen bis zu -5 °C gemessen werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erweitern das Verständnis des Potenzials der methanogenen Archaeen, unter Mars-analogen Bedingungen aktiv sein zu können und vermitteln Einblicke in die mögliche Habitabilität vom heutigen Marsuntergrund. Außerdem tragen sie zur Interpretation der Daten von zukünftigen Marsmissionen zur Erkundung von möglichem Leben auf dem Planeten bei. Ein Beispiel hierfür könnte die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Roskosmos sein, welche im Jahr 2018 gestartet werden soll und bestrebt ist, in den Marsuntergrund zu bohren. KW - methanogenic archaea KW - Mars KW - simulation experiments KW - long-term desiccation KW - Martian regolith analogs KW - methanogene Archaeen KW - Mars KW - Marsanaloge Regolithe KW - Simulationsexperimente KW - Langzeitaustrocknung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73010 ER - TY - THES A1 - Riedl, Simon T1 - Active tectonics in the Kenya Rift T1 - Aktive Tektonik im Keniarift BT - implications for continental rifting and paleodrainage systems BT - Erkenntnisse über kontinentale Riftzonen und Paläogewässersysteme N2 - Magmatische und tektonisch aktive Grabenzonen (Rifts) stellen die Vorstufen entstehender Plattengrenzen dar. Diese sich spreizenden tektonischen Provinzen zeichnen sich durch allgegenwärtige Abschiebungen aus, und die räumliche Verteilung, die Geometrie, und das Alter dieser Abschiebungen lässt Rückschlüsse auf die räumlichen und zeitlichen Zusammenhänge zwischen tektonischer Deformation, Magmatismus und langwelliger Krustendeformation in Rifts zu. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Störungsaktivität im Kenia-Rift des känozoischen Ostafrikanischen Grabensystems im Zeitraum zwischen dem mittleren Pleistozän und dem Holozän. Um die frühen Stadien der Entstehung kontinentaler Plattengrenzen zu untersuchen, wird in dieser Arbeit eine zeitlich gemittelte minimale Extensionsrate für den inneren Graben des Nördlichen Kenia-Rifts (NKR) für die letzten 0,5 Mio Jahre abgeleitet. Die Analyse beruht auf Messungen mit Hilfe des digitalen TanDEM-X-Höhenmodells, um die Abschiebungen entlang der vulkanisch-tektonischen Achse des inneren Grabens des NKR zu kartieren und deren Versatzbeträge zu bestimmen. Mithilfe von vorhandenen Geochronologiedaten der deformierten vulkanischen Einheiten sowie in dieser Arbeit erstellten ⁴⁰Ar/³⁹Ar-Datierungen werden zeitlich gemittelte Extensionsraten berechnet. Die Auswertungen zeigen, dass im inneren Graben des NKR die langfristige Extensionsrate für mittelpleistozäne bis rezente Störungen Mindestwerte von 1,0 bis 1,6 mm yr⁻¹ aufweist und lokal allerdings auch Werte bis zu 2,0 mm yr⁻¹ existieren. In Anbetracht der nahezu inaktiven Randstörungen des NKR zeigt sich somit, dass sich die Extension auf die Region der aktiven vulkanisch-tektonischen Achse im inneren Graben konzentriert und somit ein fortgeschrittenes Stadium kontinentaler Extensionsprozesse im NKR vorliegt. In dieser Arbeit wird diese räumlich fokussierte Extension zudem im Rahmen einer Störungsanalyse der jüngsten vulkanischen Erscheinungen des Kenia-Rifts betrachtet. Die Arbeit analysiert mithilfe von Geländekartierungen und eines auf Luftbildern basierenden Geländemodells die Störungscharakteristika der etwa 36 tausend Jahre alten Menengai-Kaldera und der umliegenden Gebiete im zentralen Kenia-Rift. Im Allgemeinen sind die holozänen Störungen innerhalb des Rifts reine, NNO-streichende Abschiebungen, die somit das gegenwärtige tektonische Spannungsfeld wiederspiegeln; innerhalb der Menengai-Kaldera sind die jungen Strukturen jedoch von andauernder magmatischer Aktivität und von Aufdomung überprägt. Die Kaldera befindet sich im Zentrum eines sich aktiv dehnenden Riftsegments und zusammen mit den anderen quartären Vulkanen des Kenia-Rifts lassen sich diese Bereiche als Kernpunkte der extensionalen Störungsaktivität verstehen, die letztlich zu einer weiter entwickelten Phase magmengestützter Kontinentalseparation führen werden. Die bereits seit dem Tertiär andauernde Störungsaktivität im Kenia-Rift führt zur Zergliederung der größeren Rift-Senken in kleinere Segmente und beeinflusst die Sedimentologie und die Hydrologie dieser Riftbecken. Gegenwärtig sind die meisten, durch Störungen begrenzten Becken des Kenia-Rifts hydrologisch isoliert, sie waren aber während feuchter Klimaphasen hydrologisch miteinander verbunden; in dieser Arbeit untersuche ich deshalb auch diese hydrologische Verbindung der Rift-Becken für die Zeit der Afrikanischen Feuchteperiode des frühen Holozäns. Mithilfe der Analyse von digitalen Geländemodellen, unter Berücksichtigung von geomorphologischen Anzeigern für Seespiegelhochstände, Radiokarbondatierungen und einer Übersicht über Fossiliendaten konnten zwei kaskadierende Flusssysteme aus diesen Daten abgeleitet werden: eine Flusskaskade in Richtung Süden und eine in Richtung Norden. Beide Kaskaden haben die derzeit isolierten Becken während des frühen Holozäns durch überlaufende Seen und eingeschnittene Schluchten miteinander verbunden. Diese hydrologische Verbindung führte zu der Ausbreitung aquatischer Fauna entlang des Rifts, und gleichzeitig stellte die Wasserscheide zwischen den beiden Flusssystemen den einzigen terrestrischen Ausbreitungskorridor dar, der eine Überquerung des Kenia-Rifts ermöglichte. Diese tektonisch-geomorphologische Rekonstruktion erklärt die heute isolierten Vorkommen nilotischer Fischarten in den Riftseen Kenias sowie die isolierten Vorkommen Guineo-Congolischer Säugetiere in Wäldern östlich des Kenia-Rifts, die sich über die Wasserscheide im Kenia-Rift ausbreiten konnten. Auf längeren Zeitskalen sind solche Phasen hydrologischer Verbindung und Phasen der Isolation wiederholt aufgetreten und zeigen sich in wechselnden paläoökologischen Indikatoren in Sedimentbohrkernen. Hier stelle ich einen Sedimentbohrkern aus dem Koora-Becken des Südlichen Kenia-Rifts vor, der einen Datensatz der Paläo-Umweltbedingungen der letzten 1 Million Jahre beinhaltet. Dieser Datensatz zeigt, dass etwa vor 400 tausend Jahren die zuvor relativ stabilen Umweltbedingungen zum Erliegen kamen und tektonische, hydrologische und ökologische Veränderungen dazu führten, dass die Wasserverfügbarkeit, die Grasland-Vergesellschaftungen und die Bedeckung durch Baumvegetation zunehmend stärkeren und häufigeren Schwankungen unterlagen. Diese großen Veränderungen fallen zeitlich mit Phasen zusammen, in denen das südliche Becken des Kenia-Rifts von vulkanischer und tektonischer Aktivität besonders betroffen war. Die vorliegende Arbeit zeigt deshalb deutlich, inwiefern die tektonischen und geomorphologischen Gegebenheiten im Zuge einer zeitlich langanhaltenden Extension die Hydrologie, die Paläo-Umweltbedingungen sowie die Biodiversität einer Riftzone beeinflussen können. N2 - Magmatic continental rifts often constitute the earliest stage of nascent plate boundaries. These extensional tectonic provinces are characterized by ubiquitous normal faulting and volcanic activity; the spatial pattern, the geometry, and the age of these normal faults can help to unravel the spatiotemporal relationships between extensional deformation, magmatism, and long-wavelength crustal deformation of continental rift provinces. This study focuses on the active faulting in the Kenya Rift of the Cenozoic East African Rift System (EARS) with a focus on the mid-Pleistocene to the present-day. To examine the early stages of continental break-up in the EARS, this thesis presents a time-averaged minimum extension rate for the inner graben of the Northern Kenya Rift (NKR) for the last 0.5 m.y. Using the TanDEM-X digital elevation model, fault-scarp geometries and associated throws are determined across the volcano-tectonic axis of the inner graben of the NKR. By integrating existing geochronology of faulted units with new ⁴⁰Ar/³⁹Ar radioisotopic dates, time-averaged extension rates are calculated. This study reveals that in the inner graben of the NKR, the long-term extension rate based on mid-Pleistocene to recent brittle deformation has minimum values of 1.0 to 1.6 mm yr⁻¹, locally with values up to 2.0 mm yr⁻¹. In light of virtually inactive border faults of the NKR, we show that extension is focused in the region of the active volcano-tectonic axis in the inner graben, thus highlighting the maturing of continental rifting in the NKR. The phenomenon of focused extension is further investigated with a structural analysis of the youngest volcanic manifestations of the Kenya Rift, their relationship with extensional structures, and their overprint by Holocene faulting. In this context I analyzed the fault characteristics at the ~36 ka old Menengai Caldera and adjacent areas in the Central Kenya Rift using detailed field mapping and a structure-from-motion-based DEM generated from UAV data. In general, the Holocene intra-rift normal faults are dip-slip faults which strike NNE and thus reflect the present-day tectonic stress field; however, inside Menengai caldera persistent magmatic activity and magmatic resurgence overprints these young structures significantly. The caldera is located at the center of an actively extending rift segment and this and the other volcanic edifices of the Kenya Rift may constitute nucleation points of faulting an magmatic extensional processes that ultimately lead into a future stage of magma-assisted rifting. When viewed at the scale of the entire Kenya Rift the protracted normal faulting in this region compartmentalizes the larger rift depressions, and influences the sedimentology and the hydrology of the intra-rift basins at a scale of less than 100 km. In the present day, most of the fault-bounded sub-basins of the Kenya Rift are hydrologically isolated due to this combination of faulting and magmatic activity that has generated efficient hydrological barriers that maintain these basins as semi-independent geomorphic entities. This isolation, however, was overcome during wetter climatic conditions during the past when the basins were transiently connected. I therefore also investigated the hydrological connectivity of the rift basins during the African Humid Period of the early Holocene, when climate was wetter. With the help of DEM analysis, lake-highstand indicators, radiocarbon dating, and a review of the fossil record, two lake-river-cascades could be identified: one directed southward, and one directed northward. Both cascades connected presently isolated rift basins during the early Holocene via spillovers of lakes and incised river gorges. This hydrological connection fostered the dispersal of aquatic faunas along the rift, and in addition, the water divide between the two river systems represented the only terrestrial dispersal corridor across the Kenya Rift. The reconstruction explains isolated distributions of Nilotic fish species in Kenya Rift lakes and of Guineo-Congolian mammal species in forests east of the Kenya Rift. On longer timescales, repeated episodes of connectivity and isolation must have occurred. To address this problem I participated in research to analyze a sediment drill core from the Koora basin of the Southern Kenya Rift, which provides a paleo-environmental record of the last 1 Ma. Based on this record it can be concluded that at ~400 ka relatively stable environmental conditions were disrupted by tectonic, hydrological, and ecological changes, resulting in increasingly large and frequent fluctuations in water availability, grassland communities, and woody plant cover. The major environmental shifts reflected in the drill core data coincide with phases where volcano-tectonic activity affected the basin. This thesis therefore shows how protracted extensional tectonic processes and the resulting geomorphologic conditions can affect the hydrology, the paleo-environment and the biodiversity of extensional zones in Kenya and elsewhere. KW - Tektonik KW - tectonics KW - Ostafrikanisches Rift KW - East African Rift KW - Biodiversität KW - biodiversity KW - Paläoökologie KW - paleoecology KW - Kenia KW - Kenya Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-538552 ER - TY - THES A1 - Bai, Shuo T1 - Active hydrogels with nanocomposites Y1 - 2010 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Sawade, Christoph T1 - Active evaluation of predictive models T1 - Aktive Evaluierung von Vorhersagemodellen N2 - The field of machine learning studies algorithms that infer predictive models from data. Predictive models are applicable for many practical tasks such as spam filtering, face and handwritten digit recognition, and personalized product recommendation. In general, they are used to predict a target label for a given data instance. In order to make an informed decision about the deployment of a predictive model, it is crucial to know the model’s approximate performance. To evaluate performance, a set of labeled test instances is required that is drawn from the distribution the model will be exposed to at application time. In many practical scenarios, unlabeled test instances are readily available, but the process of labeling them can be a time- and cost-intensive task and may involve a human expert. This thesis addresses the problem of evaluating a given predictive model accurately with minimal labeling effort. We study an active model evaluation process that selects certain instances of the data according to an instrumental sampling distribution and queries their labels. We derive sampling distributions that minimize estimation error with respect to different performance measures such as error rate, mean squared error, and F-measures. An analysis of the distribution that governs the estimator leads to confidence intervals, which indicate how precise the error estimation is. Labeling costs may vary across different instances depending on certain characteristics of the data. For instance, documents differ in their length, comprehensibility, and technical requirements; these attributes affect the time a human labeler needs to judge relevance or to assign topics. To address this, the sampling distribution is extended to incorporate instance-specific costs. We empirically study conditions under which the active evaluation processes are more accurate than a standard estimate that draws equally many instances from the test distribution. We also address the problem of comparing the risks of two predictive models. The standard approach would be to draw instances according to the test distribution, label the selected instances, and apply statistical tests to identify significant differences. Drawing instances according to an instrumental distribution affects the power of a statistical test. We derive a sampling procedure that maximizes test power when used to select instances, and thereby minimizes the likelihood of choosing the inferior model. Furthermore, we investigate the task of comparing several alternative models; the objective of an evaluation could be to rank the models according to the risk that they incur or to identify the model with lowest risk. An experimental study shows that the active procedure leads to higher test power than the standard test in many application domains. Finally, we study the problem of evaluating the performance of ranking functions, which are used for example for web search. In practice, ranking performance is estimated by applying a given ranking model to a representative set of test queries and manually assessing the relevance of all retrieved items for each query. We apply the concepts of active evaluation and active comparison to ranking functions and derive optimal sampling distributions for the commonly used performance measures Discounted Cumulative Gain and Expected Reciprocal Rank. Experiments on web search engine data illustrate significant reductions in labeling costs. N2 - Maschinelles Lernen befasst sich mit Algorithmen zur Inferenz von Vorhersagemodelle aus komplexen Daten. Vorhersagemodelle sind Funktionen, die einer Eingabe – wie zum Beispiel dem Text einer E-Mail – ein anwendungsspezifisches Zielattribut – wie „Spam“ oder „Nicht-Spam“ – zuweisen. Sie finden Anwendung beim Filtern von Spam-Nachrichten, bei der Text- und Gesichtserkennung oder auch bei der personalisierten Empfehlung von Produkten. Um ein Modell in der Praxis einzusetzen, ist es notwendig, die Vorhersagequalität bezüglich der zukünftigen Anwendung zu schätzen. Für diese Evaluierung werden Instanzen des Eingaberaums benötigt, für die das zugehörige Zielattribut bekannt ist. Instanzen, wie E-Mails, Bilder oder das protokollierte Nutzerverhalten von Kunden, stehen häufig in großem Umfang zur Verfügung. Die Bestimmung der zugehörigen Zielattribute ist jedoch ein manueller Prozess, der kosten- und zeitaufwendig sein kann und mitunter spezielles Fachwissen erfordert. Ziel dieser Arbeit ist die genaue Schätzung der Vorhersagequalität eines gegebenen Modells mit einer minimalen Anzahl von Testinstanzen. Wir untersuchen aktive Evaluierungsprozesse, die mit Hilfe einer Wahrscheinlichkeitsverteilung Instanzen auswählen, für die das Zielattribut bestimmt wird. Die Vorhersagequalität kann anhand verschiedener Kriterien, wie der Fehlerrate, des mittleren quadratischen Verlusts oder des F-measures, bemessen werden. Wir leiten die Wahrscheinlichkeitsverteilungen her, die den Schätzfehler bezüglich eines gegebenen Maßes minimieren. Der verbleibende Schätzfehler lässt sich anhand von Konfidenzintervallen quantifizieren, die sich aus der Verteilung des Schätzers ergeben. In vielen Anwendungen bestimmen individuelle Eigenschaften der Instanzen die Kosten, die für die Bestimmung des Zielattributs anfallen. So unterscheiden sich Dokumente beispielsweise in der Textlänge und dem technischen Anspruch. Diese Eigenschaften beeinflussen die Zeit, die benötigt wird, mögliche Zielattribute wie das Thema oder die Relevanz zuzuweisen. Wir leiten unter Beachtung dieser instanzspezifischen Unterschiede die optimale Verteilung her. Die entwickelten Evaluierungsmethoden werden auf verschiedenen Datensätzen untersucht. Wir analysieren in diesem Zusammenhang Bedingungen, unter denen die aktive Evaluierung genauere Schätzungen liefert als der Standardansatz, bei dem Instanzen zufällig aus der Testverteilung gezogen werden. Eine verwandte Problemstellung ist der Vergleich von zwei Modellen. Um festzustellen, welches Modell in der Praxis eine höhere Vorhersagequalität aufweist, wird eine Menge von Testinstanzen ausgewählt und das zugehörige Zielattribut bestimmt. Ein anschließender statistischer Test erlaubt Aussagen über die Signifikanz der beobachteten Unterschiede. Die Teststärke hängt von der Verteilung ab, nach der die Instanzen ausgewählt wurden. Wir bestimmen die Verteilung, die die Teststärke maximiert und damit die Wahrscheinlichkeit minimiert, sich für das schlechtere Modell zu entscheiden. Des Weiteren geben wir eine Möglichkeit an, den entwickelten Ansatz für den Vergleich von mehreren Modellen zu verwenden. Wir zeigen empirisch, dass die aktive Evaluierungsmethode im Vergleich zur zufälligen Auswahl von Testinstanzen in vielen Anwendungen eine höhere Teststärke aufweist. Im letzten Teil der Arbeit werden das Konzept der aktiven Evaluierung und das des aktiven Modellvergleichs auf Rankingprobleme angewendet. Wir leiten die optimalen Verteilungen für das Schätzen der Qualitätsmaße Discounted Cumulative Gain und Expected Reciprocal Rank her. Eine empirische Studie zur Evaluierung von Suchmaschinen zeigt, dass die neu entwickelten Verfahren signifikant genauere Schätzungen der Rankingqualität liefern als die untersuchten Referenzverfahren. KW - Aktive Evaluierung KW - Vorhersagemodelle KW - Maschinelles Lernen KW - Fehlerschätzung KW - Statistische Tests KW - Active Evaluation KW - Predictive Models KW - Machine Learning KW - Error Estimation KW - Statistical Tests Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65583 SN - 978-3-86956-255-1 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Patzwald, Christiane T1 - Actions through the lens of communicative cues BT - the influence of verbal cues and emotional cues on action processing and action selection in the second year of life N2 - The PhD thesis entitled “Actions through the lens of communicative cues. The influence of verbal cues and emotional cues on action processing and action selection in the second year of life” is based on four studies, which examined the cognitive integration of another person’s communicative cues (i.e., verbal cues, emotional cues) with behavioral cues in 18- and 24-month-olds. In the context of social learning of instrumental actions, it was investigated how the intention-related coherence of either a verbally announced action intention or an emotionally signaled action evaluation with an action demonstration influenced infants’ neuro-cognitive processing (Study I) and selection (Studies II, III, IV) of a novel object-directed action. Developmental research has shown that infants benefit from another’s behavioral cues (e.g., action effect, persistency, selectivity) to infer the underlying goal or intention, respectively, of an observed action (e.g., Cannon & Woodward, 2012; Woodward, 1998). Particularly action effects support infants in distinguishing perceptual action features (e.g., target object identity, movement trajectory, final target object state) from conceptual action features such as goals and intentions. However, less is known about infants’ ability to cognitively integrate another’s behavioral cues with additional action-related communicative cues. There is some evidence showing that in the second year of life, infants selectively imitate a novel action that is verbally (“There!”) or emotionally (positive expression) marked as aligning with the model’s action intention over an action that is verbally (“Whoops!”) or emotionally (negative expression) marked as unintentional (Carpenter, Akhtar, & Tomasello, 1998; Olineck & Poulin-Dubois, 2005, 2009; Repacholi, 2009; Repacholi, Meltzoff, Toub, & Ruba, 2016). Yet, it is currently unclear which role the specific intention-related coherence of a communicative cue with a behavioral cue plays in infants’ action processing and action selection that is, whether the communicative cue confirms, contrasts, clarifies, or is unrelated to the behavioral cue. Notably, by using both verbal cues and emotional cues, we examined not only two domains of communicative cues but also two qualitatively distinct relations between behavioral cues on the one hand and communicative cues on the other hand. More specifically, a verbal cue has the potential to communicate an action intention in the absence of an action demonstration and thus a prior-intention (Searle, 1983), whereas an emotional cue evaluates an ongoing or past action demonstration and thus signals an intention-in-action (Searle, 1983). In a first research focus, this thesis examined infants’ capacity to cognitively integrate another’s intention-related communicative cues and behavioral cues, and also focused on the role of the social cues’ coherence in infants’ action processing and action selection. In a second research focus, and to gain more elaborate insights into how the sub-processes of social learning (attention, encoding, response; cf. Bandura, 1977) are involved in this coherence-sensitive integrative processing, we employed a multi-measures approach. More specifically, we used Electroencephalography (EEG) and looking times to examine how the cues’ coherence influenced the compound of attention and encoding, and imitation (including latencies to first-touch and first-action) to address the compound of encoding and response. Based on the action-reconstruction account (Csibra, 2007), we predicted that infants use extra-motor information (i.e., communicative cues) together with behavioral cues to reconstruct another’s action intention. Accordingly, we expected infants to possess a flexibly organized internal action hierarchy, which they adapt according to the cues’ coherence that is, according to what they inferred to be the overarching action goal. More specifically, in a social-learning situation that comprised an adult model, who demonstrated an action on a novel object that offered two actions, we expected the demonstrated action to lead infants’ action hierarchy when the communicative (i.e., verbal, emotional) cue conveyed similar (confirming coherence) or no additional (un-related coherence) intention-related information relative to the behavioral cue. In terms of action selection, this action hierarchy should become evident in a selective imitation of the demonstrated action. However, when the communicative cue questioned (contrasting coherence) the behaviorally implied action goal or was the only cue conveying meaningful intention-related information (clarifying coherence), the verbally/emotionally intended action should ascend infants’ action hierarchy. Consequently, infants’ action selection should align with the verbally/emotionally intended action (goal emulation). Notably, these predictions oppose the direct-matching perspective (Rizzolatti & Craighero, 2004), according to which the observation of another’s action directly resonates with the observer’s motor repertoire, with this motor resonance enabling the identification of the underlying action goal. Importantly, the direct-matching perspective predicts a rather inflexible action hierarchy inasmuch as the process of goal identification should solely rely on the behavioral cue, irrespective of the behavioral cue’s coherence with extra-motor intention-related information, as it may be conveyed via communicative cues. As to the role of verbal cues, Study I used EEG to examine the influence of a confirming (Congruent) versus contrasting (Incongruent) coherence of a verbal action intention with the same action demonstration on 18-month-olds’ conceptual action processing (as measured via mid-latency mean negative ERP amplitude) and motor activation (as measured via central mu-frequency band power). The action was demonstrated on a novel object that offered two action alternatives from a neutral position. We expected mid-latency ERP negativity to be enhanced in Incongruent compared to Congruent, because past EEG research has demonstrated enhanced conceptual processing for stimuli that mismatched rather than matched the semantic context (Friedrich & Friederici, 2010; Kaduk et al., 2016). Regarding motor activation, Csibra (2007) posited that the identification of a clear action goal constitutes a crucial basis for motor activation to occur. We therefore predicted reduced mu power (indicating enhanced motor activation) for Congruent than Incongruent, because in Congruent, the cues’ match provides unequivocal information about the model’s action goal, whereas in Incongruent, the conflict may render the model’s action goal more unclear. Unexpectedly, in the entire sample, 18-month-olds’ mid-latency ERP negativity during the observation of the same action demonstration did not differ significantly depending on whether this action was congruent or incongruent with the model’s verbal action intention. Yet, post hoc analyses revealed the presence of two subgroups of infants, each of which exhibited significantly different mid-latency ERP negativity for Congruent versus Incongruent, but in opposing directions. The subgroups differed in their productive action-related language skills, with the linguistically more advanced infants exhibiting the expected response pattern of enhanced ERP mean negativity in Incongruent than Congruent, indicating enhanced conceptual processing of an action demonstration that was contrasted rather than confirmed by the verbal action context. As expected, central mu power in the entire sample was reduced in Congruent relative to Incongruent, indicating enhanced motor activation when the action demonstration was preceded by a confirming relative to a contrasting verbal action intention. This finding may indicate the covert preparation for a preferential imitation of the congruent relative to the incongruent action (Filippi et al., 2016; Frey & Gerry, 2006). Overall, these findings are in line with the action-reconstruction account (Csibra, 2007), because they suggest a coherence-sensitive attention to and encoding of the same perceptual features of another’s behavior and thus a cognitive integration of intention-related verbal cues and behavioral cues. Yet, because the subgroup constellation in infants’ ERPs was only discovered post hoc, future research is clearly required to substantiate this finding. Also, future research should validate our interpretation that enhanced motor activation may reflect an electrophysiological marker of subsequent imitation by employing EEG and imitation in a within-subjects design. Study II built on Study I by investigating the impact of coherence of a verbal cue and a behavioral cue on 18- and 24-month-olds’ action selection in an imitation study. When infants of both age groups observed a confirming (Congruent) or unrelated (Pseudo-word: action demonstration was associated with novel verb-like cue) coherence, they selectively imitated the demonstrated action over the not demonstrated, alternative action, with no difference between these two conditions. These findings suggest that, as expected, infants’ action hierarchy was led by the demonstrated action when the verbal cue provided similar (Congruent) or no additional (Pseudo-word) intention-related information relative to a meaningful behavioral cue. These findings support the above-mentioned interpretation that enhanced motor activation during action observation may reflect a covert preparation for imitation (Study I). Interestingly, infants did not seem to benefit from the intention-highlighting effect of the verbal cue in Congruent, suggesting that the verbal cue had an unspecific (e.g., attention-guiding) effect on infants’ action selection. Contrary, when infants observed a contrasting (Incongruent) or clarifying (Failed-attempt: model failed to manipulate the object but verbally announced a certain action intention) coherence, their action selection varied with age and also varied across the course of the experiment (block 1 vs. block 2). More specifically, the 24-month-olds made stronger use of the verbal cue for their action selection in block 1 than did the 18-month-olds. However, while the 18-month-olds’ use of the verbal cue increased across blocks, particularly in Incongruent, the 24-month-olds’ use of the verbal cue decreased across blocks. Overall, these results suggest that, as expected, infants’ action hierarchy in Incongruent (both age groups) and Failed-attempt (only 24-month-olds) drew on the verbal action intention, because in both age groups, infants emulated the verbal intention about as often as they imitated the demonstrated action or even emulated the verbal action intention preferentially. Yet, these findings were confined to certain blocks. It may be argued that the younger age group had a harder time inferring and emulating the intended, yet never observed action, because this requirement is more demanding in cognitive and motor terms. These demands may explain why the 18-month-olds needed some time to take account of the verbal action intention. Contrary, it seems that the 24-month-olds, although demonstrating their principle capacity to take account of the verbal cue in block 1, lost trust in the model’s verbal cue, maybe because the verbal cue did not have predictive value for the model’s actual behavior. Supporting this interpretation, research on selective trust has demonstrated that already infants evaluate another’s reliability or competence, respectively, based on how that model handles familiar objects (behavioral reliability) or labels familiar objects (verbal reliability; for reviews, see Mills, 2013; Poulin-Dubois & Brosseau-Liard, 2016). Relatedly, imitation research has demonstrated that the interpersonal aspects of a social-learning situation gain increasing relevance for infants during the second year of life (Gellén & Buttelmann, 2019; Matheson, Moore, & Akhtar, 2013; Uzgiris, 1981). It may thus be argued that when the 24-month-olds were repeatedly faced with a verbally unreliable model, they de-evaluated the verbal cue as signaling the model’s action intention and instead relied more heavily on alternative cues such as the behavioral cue (Incongruent) or the action context (e.g., object affordances, salience; Failed-attempt). Infants’ first-action latencies were higher in Incongruent and Failed-attempt than in both Congruent and Pseudo-word, and were also higher in Failed-attempt than in Incongruent. These latency-findings thus indicate that situations involving a meaningful verbal cue that deviated from the behavioral cue are cognitively more demanding, resulting in a delayed initiation of a behavioral response. In sum, the findings of Study II suggest that both age groups were highly flexible in their integration of a verbal cue and behavioral cue. Moreover, our results do not indicate a general superiority of either cue. Instead, it seems to depend on the informational gain conveyed by the verbal cue whether it exerts a specific, intention-highlighting effect (Incongruent, Failed-attempt) or an unspecific (e.g., attention-guiding) effect (Congruent, Pseudo-word). Studies III and IV investigated the impact of another’s action-related emotional cues on 18-month-olds’ action selection. In Study III, infants observed a model, who demonstrated two actions on a novel object in direct succession, and who combined one of the two actions with a positive (happy) emotional expression and the other action with a negative (sad) emotional expression. As expected, infants imitated the positively emoted (PE) action more often than the negatively emoted (NE) action. This preference arose from an increase in infants’ readiness to perform the PE action from the baseline period (prior to the action demonstrations) to the test period (following the action demonstrations), rather than from a decrease in readiness to the perform the NE action. The positive cue thus had a stronger behavior-regulating effect than the negative cue. Notably, infants’ more general object-directed behavior in terms of first-touch latencies remained unaffected by the emotional cues’ valence, indicating that infants had linked the emotional cues specifically to the corresponding action and not the object as a whole (Repacholi, 2009). Also, infants’ looking times during the action demonstration did not differ significantly as a function of emotional valence and were characterized by a predominant attentional focus to the action/object rather than to the model’s face. Together with the findings on infants’ first-touch latencies, these results indicate a sensitivity for the notion that emotions can have very specific referents (referential specificity; Martin, Maza, McGrath, & Phelps, 2014). Together, Study III provided evidence for selective imitation based on another’s intention-related (particularly positive) emotional cues in an action-selection task, and thus indicates that infants’ action hierarchy flexibly responds to another’s emotional evaluation of observed actions. According to Repacholi (2009), we suggest that infants used the model’s emotional evaluation to re-appraise the corresponding action (effect), for instance in terms of desirability. Study IV followed up on Study III by investigating the role of the negative emotional cue for infants’ action selection in more detail. Specifically, we investigated whether a contrasting (negative) emotional cue alone would be sufficient to differentially rank the two actions along infants’ action hierarchy or whether instead infants require direct information about the model’s action intention (in the form of a confirming action-emotion pair) to align their action selection with the emotional cues. Also, we examined whether the absence of a direct behavior-regulating effect of the negative cue in Study III was due to the negative cue itself or to the concurrently available positive cue masking the negative cue’s potential effect. To this end, we split the demonstration of the two action-emotion pairs across two trials. In each trial, one action was thus demonstrated and emoted (PE, NE action), and one action was not demonstrated and un-emoted (UE action). For trial 1, we predicted that infants, who observed a PE action demonstration, would selectively imitate the PE action, whereas infants, who observed a NE action demonstration would selectively emulate the UE action. As to trial 2, we expected the complementary action-emotion pair to provide additional clarifying information as the model’s emotional evaluation of both actions, which should either lead to adaptive perseveration (if infants’ action selection in trial 1 had already drawn on the emotional cue) or adaptive change (if infants’ action selection in trial 1 signaled a disregard of the emotional cue). As to trial 1, our findings revealed that, as expected, infants imitated the PE action more often than they emulated the UE action. Like in Study III, this selectivity arose from an increase in infants’ propensity to perform the PE action from baseline to trial 1. Also like in Study III, infants performed the NE action about equally often in baseline and trial 1, which speaks against a direct behavior-regulating effect of the negative cue also when presented in isolation. However, after a NE action demonstration, infants emulated the UE action more often in trial 1 than in baseline, suggesting an indirect behavior-regulating effect of the negative cue. Yet, this indirect effect did not yield a selective emulation of the UE action, because infants performed both action alternatives about equally often in trial 1. Unexpectedly, infants’ action selection in trial 2 was unaffected by the emotional cue. Instead, infants perseverated their action selection of trial 1 in trial 2, irrespective of whether it was adaptive or non-adaptive with respect to the model’s emotional evaluation of the action. It seems that infants changed their strategy across trials, from an initial adherence to the emotional (particularly positive) cue, towards bringing about a salient action effect (Marcovich & Zelazo, 2009). In sum, Studies III and IV indicate a dynamic interplay of different action-selection strategies, depending on valence and presentation order. Apparently, at least in infancy, action reconstruction as one basis for selective action performance reaches its limits when infants can only draw on indirect intention-related information (i.e., which action should be avoided). Overall, our findings favor the action-reconstruction account (Csibra, 2007), according to which actions are flexibly organized along a hierarchy, depending on inferential processes based on extra-motor intention-related information. At the same time, the findings question the direct-matching hypothesis (Rizzolatti & Craighero, 2004), according to which the identification (and pursuit) of action goals hinges on a direct simulation of another’s behavioral cues. Based on the studies’ findings, a preliminary working model is introduced, which seeks to integrate the two theoretical accounts by conceptualizing the routes that activation induced by social cues may take to eventually influence an infant’s action selection. Our findings indicate that it is useful to strive a differentiated conceptualization of communicative cues, because they seem to operate at different places within the process of cue integration, depending on their potential to convey direct intention-related information. Moreover, we suggest that there is bidirectional exchange within each compound of adjacent sub-processes (i.e., between attention and encoding, and encoding and response), and between the compounds. Hence, our findings highlight the benefits of a multi-measures approach when studying the development of infants’ social-cognitive abilities, because it provides a more comprehensive picture how the concerted use of social cues from different domains influences infants’ processing and selection of instrumental actions. Finally, this thesis points to potential future directions to substantiate our current interpretation of the findings.. Moreover, an extension to additional kinds of coherence is suggested to get closer to infants’ everyday-world of experience. KW - infancy KW - social cognition KW - action processing KW - emotions KW - language KW - imitation KW - EEG Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Adam, Maurits T1 - Action-goal predictions in infancy BT - The influence of agency cues and verbal information Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Seerangan, Kumar T1 - Actin-based regulation of cell and tissue scale morphogenesis in developing leaves T1 - Aktin-basierte Regulierung der Zell- und Gewebeskalenmorphogenese in sich entwickelnden Blättern N2 - Leaves exhibit cells with varying degrees of shape complexity along the proximodistal axis. Heterogeneities in growth directions within individual cells bring about such complexity in cell shape. Highly complex and interconnected gene regulatory networks and signaling pathways have been identified to govern these processes. In addition, the organization of cytoskeletal networks and cell wall mechanical properties greatly influences the regulation of cell shape. Research has shown that microtubules are involved in regulating cellulose deposition and direc-tion of cell growth. However, comprehensive analysis of the regulation of the actin cytoskele-ton in cell shape regulation has not been well studied. This thesis provides evidence that actin regulates aspects of cell growth, division, and direction-al expansion that impacts morphogenesis of developing leaves. The jigsaw puzzle piece mor-phology of epidermal pavement cells further serves as an ideal system to investigate the com-plex process of morphogenetic processes occurring at the cellular level. Here we have em-ployed live cell based imaging studies to track the development of pavement cells in actin com-promised conditions. Genetic perturbation of two predominantly expressed vegetative actin genes ACTIN2 and ACTIN7 results in delayed emergence of the cellular protrusions in pave-ment cells. Perturbation of actin also impacted the organization of microtubule in these cells that is known to promote emergence of cellular protrusions. Further, live-cell imaging of actin or-ganization revealed a correlation with cell shape, suggesting that actin plays a role in influencing pavement cell morphogenesis. In addition, disruption of actin leads to an increase in cell size along the leaf midrib, with cells being highly anisotropic due to reduced cell division. The reduction of cell division further im-pacted the morphology of the entire leaf, with the mutant leaves being more curved. These re-sults suggests that actin plays a pivotal role in regulating morphogenesis at the cellular and tis-sue scales thereby providing valuable insights into the role of the actin cytoskeleton in plant morphogenesis. N2 - Die Blätter weisen entlang der proximodistalen Achse Zellen mit unterschiedlich komplexer Form auf. Heterogenitäten in den Wachstumsrichtungen innerhalb einzelner Zellen führen zu einer solchen Komplexität der Zellform. Es wurden hochkomplexe und miteinander verbundene Genregulationsnetze und Signalwege identifiziert, die diese Prozesse steuern. Darüber hinaus haben die Organisation der Zytoskelettnetze und die mechanischen Eigenschaften der Zellwand großen Einfluss auf die Regulierung der Zellform. Die Forschung hat gezeigt, dass Mikrotubuli an der Regulierung der Zelluloseablagerung und der Richtung des Zellwachstums beteiligt sind. Eine umfassende Analyse der Regulierung des Aktin-Zytoskeletts bei der Regulierung der Zellform ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht worden. Diese Arbeit liefert Beweise dafür, dass Aktin Aspekte des Zellwachstums, der Zellteilung und der gerichteten Expansion reguliert, die die Morphogenese der sich entwickelnden Blätter beeinflussen. Die puzzleartige Morphologie der epidermalen Zellen ist ein ideales System, um den komplexen Prozess der morphogenetischen Prozesse auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Hier haben wir Bildgebungsstudien an lebenden Zellen durchgeführt, um die Entwicklung von Epidermiszellen unter Bedingungen zu verfolgen, bei denen das Aktin beeinträchtigt ist. Eine genetische Störung der beiden vorwiegend vegetativ exprimierten Aktin-Gene ACTIN2 und ACTIN7 führt zu einer verzögerten Entstehung der zellulären Wandausstülpungen in Epidermiszellen. Die Störung des Aktins wirkte sich auch auf die Organisation der Mikrotubuli in diesen Zellen aus, von denen bekannt ist, dass sie das Entstehen von Zellwandausstülpungen fördern. Darüber hinaus ergab die Live-Zell-Darstellung der Aktin-Organisation eine Korrelation mit der Zellform, was darauf hindeutet, dass Aktin eine Rolle bei der Morphogenese der Epidermiszellen spielt. Darüber hinaus führt die Unterbrechung von Aktin zu einer Zunahme der Zellgröße entlang der Blattmittelrippe, wobei die Zellen aufgrund der verringerten Zellteilung stark anisotrop sind. Die Verringerung der Zellteilung wirkte sich auch auf die Morphologie des gesamten Blattes aus, wobei die mutierten Blätter stärker gekrümmt waren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Aktin eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Morphogenese auf zellulärer und geweblicher Ebene spielt, was wertvolle Einblicke in die Rolle des Aktin-Zytoskeletts bei der Morphogenese von Pflanzen ermöglicht. KW - leaf KW - pavement cell KW - actin/microtubules KW - spatio-temporal regulation KW - Blatt KW - Pflasterzelle KW - Aktin/Mikrotubuli KW - räumlich-zeitliche Regulierung Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Chen, Hui Ching T1 - Acquisition of focus - in a cross-linguistic perspective T1 - Spracherwerb im Fokus - eine sprachübergreifende Perspektive N2 - In dieser Dissertation untersuchen wir, wie chinesischen Muttersprachler und deutschen Muttersprachler, sowohl die Erwachsenen als auch die Kinder, verschiedene linguistische Mittel, wie z. B. Wortstellungsinformationen, prosodische und lexikalische Mittel im Sprachverständnis korrekt interpretieren. N2 - Successful communication is often explored by people throughout their life courses. To effectively transfer one’s own information to others, people employ various linguistic tools, such as word order information, prosodic cues, and lexical choices. The exploration of these linguistic cues is known as the study of information structure (IS). Moreover, an important issue in the language acquisition of children is the investigation of how they acquire IS. This thesis seeks to improve our understanding of how children acquire different tools (i.e., prosodical cues, syntactical cues, and the focus particle only) of focus marking in a cross linguistic perspective. In the first study, following Szendrői and her colleagues (2017)- the sentence-picture verification task- was performed to investigate whether three- to five-year-old Mandarin-speaking children as well as Mandarin-speaking adults could apply prosodic information to recognize focus in sentences. More, in the second study, not only Mandarin-speaking adults and Mandarin-speaking children but also German-speaking adults and German-speaking children were included to confirm the assumption that children could have adult-like performance in understanding sentence focus by identifying language specific cues in their mother tongue from early onwards. In this study, the same paradigm- the sentence-picture verification task- as in the first study was employed together with the eye-tracking method. Finally, in the last study, an issue of whether five-year-old Mandarin-speaking children could understand the pre-subject only sentence was carried out and again whether prosodic information would help them to better understand this kind of sentences. The overall results seem to suggest that Mandarin-speaking children from early onwards could make use of the specific linguistic cues in their ambient language. That is, in Mandarin, a Topic-prominent and tone language, the word order information plays a more important rule than the prosodic information and even three-year-old Mandarin-speaking children could follow the word order information. More, although it seems that German-speaking children could follow the prosodic information, they did not have the adult-like performance in the object-accented condition. A feasible reason for this result is that there are more possibilities of marking focus in German, such as flexible word order, prosodic information, focus particles, and thus it would take longer time for German-speaking children to manage these linguistic tools. Another important empirical finding regarding the syntactically-marked focus in German is that it seems that the cleft construction is not a valid focus construction and this result corroborates with the previous observations (Dufter, 2009). Further, eye-tracking method did help to uncover how the parser direct their attention for recognizing focus. In the final study, it is showed that with explicit verbal context Mandarin-speaking children could understand the pre-subject only sentence and the study brought a better understanding of the acquisition of the focus particle- only with the Mandarin-speaking children. KW - information structure KW - language acquisition KW - Mandarin KW - German KW - Prosody KW - Informationsstruktur KW - Spracherwerb KW - Deutsch KW - Mandarin KW - Prosodie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553458 ER - TY - THES A1 - Heinz, Kathrin T1 - Achtsamkeit und Akzeptanz als sportpsychologische Intervention : Adaption, Weiterentwicklung und Wirksamkeitsprüfung Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Antonelli, Andrea T1 - Accurate waveform models for gravitational-wave astrophysics: synergetic approaches from analytical relativity N2 - Gravitational-wave (GW) astrophysics is a field in full blossom. Since the landmark detection of GWs from a binary black hole on September 14th 2015, fifty-two compact-object binaries have been reported by the LIGO-Virgo collaboration. Such events carry astrophysical and cosmological information ranging from an understanding of how black holes and neutron stars are formed, what neutron stars are composed of, how the Universe expands, and allow testing general relativity in the highly-dynamical strong-field regime. It is the goal of GW astrophysics to extract such information as accurately as possible. Yet, this is only possible if the tools and technology used to detect and analyze GWs are advanced enough. A key aspect of GW searches are waveform models, which encapsulate our best predictions for the gravitational radiation under a certain set of parameters, and that need to be cross-correlated with data to extract GW signals. Waveforms must be very accurate to avoid missing important physics in the data, which might be the key to answer the fundamental questions of GW astrophysics. The continuous improvements of the current LIGO-Virgo detectors, the development of next-generation ground-based detectors such as the Einstein Telescope or the Cosmic Explorer, as well as the development of the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), demand accurate waveform models. While available models are enough to capture the low spins, comparable-mass binaries routinely detected in LIGO-Virgo searches, those for sources from both current and next-generation ground-based and spaceborne detectors must be accurate enough to detect binaries with large spins and asymmetry in the masses. Moreover, the thousands of sources that we expect to detect with future detectors demand accurate waveforms to mitigate biases in the estimation of signals’ parameters due to the presence of a foreground of many sources that overlap in the frequency band. This is recognized as one of the biggest challenges for the analysis of future-detectors’ data, since biases might hinder the extraction of important astrophysical and cosmological information from future detectors’ data. In the first part of this thesis, we discuss how to improve waveform models for binaries with high spins and asymmetry in the masses. In the second, we present the first generic metrics that have been proposed to predict biases in the presence of a foreground of many overlapping signals in GW data. For the first task, we will focus on several classes of analytical techniques. Current models for LIGO and Virgo studies are based on the post-Newtonian (PN, weak-field, small velocities) approximation that is most natural for the bound orbits that are routinely detected in GW searches. However, two other approximations have risen in prominence, the post-Minkowskian (PM, weak- field only) approximation natural for unbound (scattering) orbits and the small-mass-ratio (SMR) approximation typical of binaries in which the mass of one body is much bigger than the other. These are most appropriate to binaries with high asymmetry in the masses that challenge current waveform models. Moreover, they allow one to “cover” regions of the parameter space of coalescing binaries, thereby improving the interpolation (and faithfulness) of waveform models. The analytical approximations to the relativistic two-body problem can synergically be included within the effective-one-body (EOB) formalism, in which the two-body information from each approximation can be recast into an effective problem of a mass orbiting a deformed Schwarzschild (or Kerr) black hole. The hope is that the resultant models can cover both the low-spin comparable-mass binaries that are routinely detected, and the ones that challenge current models. The first part of this thesis is dedicated to a study about how to best incorporate information from the PN, PM, SMR and EOB approaches in a synergistic way. We also discuss how accurate the resulting waveforms are, as compared against numerical-relativity (NR) simulations. We begin by comparing PM models, whether alone or recast in the EOB framework, against PN models and NR simulations. We will show that PM information has the potential to improve currently-employed models for LIGO and Virgo, especially if recast within the EOB formalism. This is very important, as the PM approximation comes with a host of new computational techniques from particle physics to exploit. Then, we show how a combination of PM and SMR approximations can be employed to access previously-unknown PN orders, deriving the third subleading PN dynamics for spin-orbit and (aligned) spin1-spin2 couplings. Such new results can then be included in the EOB models currently used in GW searches and parameter estimation studies, thereby improving them when the binaries have high spins. Finally, we build an EOB model for quasi-circular nonspinning binaries based on the SMR approximation (rather than the PN one as usually done). We show how this is done in detail without incurring in the divergences that had affected previous attempts, and compare the resultant model against NR simulations. We find that the SMR approximation is an excellent approximation for all (quasi-circular nonspinning) binaries, including both the equal-mass binaries that are routinely detected in GW searches and the ones with highly asymmetric masses. In particular, the SMR-based models compare much better than the PN models, suggesting that SMR-informed EOB models might be the key to model binaries in the future. In the second task of this thesis, we work within the linear-signal ap- proximation and describe generic metrics to predict inference biases on the parameters of a GW source of interest in the presence of confusion noise from unfitted foregrounds and from residuals of other signals that have been incorrectly fitted out. We illustrate the formalism with simple (yet realistic) LISA sources, and demonstrate its validity against Monte-Carlo simulations. The metrics we describe pave the way for more realistic studies to quantify the biases with future ground-based and spaceborne detectors. N2 - Wenn zwei kompakte Objekte wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne kollidieren, wird der Raum und die Zeit um sie herum stark gekrümmt. Der effekt sind Störungen der Raumzeit, sogenannte Gravitationswellen, die sich im gesamten Universum ausbreiten. Mit den leistungsstarken und präzisen Netzwerken von Detektoren und der Arbeit vieler Wissenschaftler rund um den Globus kann man Gravitationswellen auf der Erde messen. Gravitationswellen tragen Informationen über das System, das sie erzeugt hat. Insbesondere kann man erfahren, wie sich die kompakten Objekte gebildet haben und woraus sie bestehen. Daraus lässt sich ableiten, wie sich das Universum ausdehnt, und man kann die Allgemeine Relativitätstheorie in Regionen mit starker Gravitation testen. Um diese Informationen zu extrahieren, werden genaue Modelle benötigt. Modelle können entweder numerisch durch Lösen der berühmten Einstein-Gleichungen oder analytisch durch Annäherung an deren Lösungen gewonnen werden. In meiner Arbeit haben wir den zweiten Ansatz verfolgt, um sehr genaue Vorhersagen für die Signale zu erhalten, die bei kommenden Beobachtungen durch Gravitationswellendetektoren verwendet werden können. KW - gravitational waves KW - Gravitationswellen KW - general relativity KW - allgemeine Relativitätstheorie KW - data analysis KW - Datenanalyse Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-576671 ER - TY - THES A1 - Kellermann, Thorsten T1 - Accurate numerical relativity simulations of non-vacuumspace-times in two dimensions and applications to critical collapse T1 - Exakte numerisch relativistische Simulationen der Nicht-Vakuum-Raum-Zeit in zwei Dimensionen und deren Anwendung zu Problemen des kritischen Kollaps N2 - This Thesis puts its focus on the physics of neutron stars and its description with methods of numerical relativity. In the first step, a new numerical framework the Whisky2D code will be developed, which solves the relativistic equations of hydrodynamics in axisymmetry. Therefore we consider an improved formulation of the conserved form of these equations. The second part will use the new code to investigate the critical behaviour of two colliding neutron stars. Considering the analogy to phase transitions in statistical physics, we will investigate the evolution of the entropy of the neutron stars during the whole process. A better understanding of the evolution of thermodynamical quantities, like the entropy in critical process, should provide deeper understanding of thermodynamics in relativity. More specifically, we have written the Whisky2D code, which solves the general-relativistic hydrodynamics equations in a flux-conservative form and in cylindrical coordinates. This of course brings in 1/r singular terms, where r is the radial cylindrical coordinate, which must be dealt with appropriately. In the above-referenced works, the flux operator is expanded and the 1/r terms, not containing derivatives, are moved to the right-hand-side of the equation (the source term), so that the left hand side assumes a form identical to the one of the three-dimensional (3D) Cartesian formulation. We call this the standard formulation. Another possibility is not to split the flux operator and to redefine the conserved variables, via a multiplication by r. We call this the new formulation. The new equations are solved with the same methods as in the Cartesian case. From a mathematical point of view, one would not expect differences between the two ways of writing the differential operator, but, of course, a difference is present at the numerical level. Our tests show that the new formulation yields results with a global truncation error which is one or more orders of magnitude smaller than those of alternative and commonly used formulations. The second part of the Thesis uses the new code for investigations of critical phenomena in general relativity. In particular, we consider the head-on-collision of two neutron stars in a region of the parameter space where two final states a new stable neutron star or a black hole, lay close to each other. In 1993, Choptuik considered one-parameter families of solutions, S[P], of the Einstein-Klein-Gordon equations for a massless scalar field in spherical symmetry, such that for every P > P⋆, S[P] contains a black hole and for every P < P⋆, S[P] is a solution not containing singularities. He studied numerically the behavior of S[P] as P → P⋆ and found that the critical solution, S[P⋆], is universal, in the sense that it is approached by all nearly-critical solutions regardless of the particular family of initial data considered. All these phenomena have the common property that, as P approaches P⋆, S[P] approaches a universal solution S[P⋆] and that all the physical quantities of S[P] depend only on |P − P⋆|. The first study of critical phenomena concerning the head-on collision of NSs was carried out by Jin and Suen in 2007. In particular, they considered a series of families of equal-mass NSs, modeled with an ideal-gas EOS, boosted towards each other and varied the mass of the stars, their separation, velocity and the polytropic index in the EOS. In this way they could observe a critical phenomenon of type I near the threshold of black-hole formation, with the putative solution being a nonlinearly oscillating star. In a successive work, they performed similar simulations but considering the head-on collision of Gaussian distributions of matter. Also in this case they found the appearance of type-I critical behaviour, but also performed a perturbative analysis of the initial distributions of matter and of the merged object. Because of the considerable difference found in the eigenfrequencies in the two cases, they concluded that the critical solution does not represent a system near equilibrium and in particular not a perturbed Tolmann-Oppenheimer-Volkoff (TOV) solution. In this Thesis we study the dynamics of the head-on collision of two equal-mass NSs using a setup which is as similar as possible to the one considered above. While we confirm that the merged object exhibits a type-I critical behaviour, we also argue against the conclusion that the critical solution cannot be described in terms of equilibrium solution. Indeed, we show that, in analogy with what is found in, the critical solution is effectively a perturbed unstable solution of the TOV equations. Our analysis also considers fine-structure of the scaling relation of type-I critical phenomena and we show that it exhibits oscillations in a similar way to the one studied in the context of scalar-field critical collapse. N2 - Diese Arbeit legt seinen Schwerpunkt auf die Physik von Neutronensternen und deren Beschreibung mit Methoden der numerischen Relativitätstheorie. Im ersten Schritt wird eine neue numerische Umgebung, der Whisky2D Code entwickelt, dieser löst die relativistischen Gleichungen der Hydrodynamik in Axialymmetrie. Hierzu betrachten wir eine verbesserte Formulierung der sog. "flux conserved formulation" der Gleichungen. Im zweiten Teil wird der neue Code verwendet , um das kritische Verhalten zweier kollidierenden Neutronensternen zu untersuchen. In Anbetracht der Analogie, um Übergänge in der statistischen Physik Phase werden wir die Entwicklung der Entropie der Neutronensterne während des gesamten Prozesses betrachten. Ein besseres Verständnis der Evolution von thermodynamischen Größen, wie der Entropie in kritischer Prozess, sollte zu einem tieferen Verständnis der relativistischen Thermodynamik führen. Der Whisky2D Code, zur Lösung Gleichungen relativistischer Hydrodynamik wurde in einer „flux conserved form“ und in zylindrischen Koordinaten geschrieben. Hierdurch entstehen 1 / r singuläre Terme, wobei r der ist, die entsprechend behandelt werden müssen. In früheren Arbeiten, wird der Operator expandiert und die 1 / r spezifisch Therme auf die rechte Seite geschrieben, so dass die linke Seite eine Form annimmt, die identisch ist mit der kartesischen Formulierung. Wir nennen dies die Standard-Formulierung. Eine andere Möglichkeit ist, die Terme nicht zu expandieren, den und den 1/r Term in die Gleichung hinein zu ziehen. Wir nennen dies die Neue-Formulierung. Die neuen Gleichungen werden mit den gleichen Verfahren wie im kartesischen Fall gelöst. Aus mathematischer Sicht ist keine Unterschiede zwischen den beiden Formulierungen zu erwarten, erst die numerische Sicht zeigt die Unterschiede auf. Versuche zeigen, dass die Neue-Formulierung numerische Fehler um mehrere Größenordnungen reduziert. Der zweite Teil der Dissertation verwendet den neuen Code für die Untersuchung kritischer Phänomene in der allgemeinen Relativitätstheorie. Insbesondere betrachten wir die Kopf-auf-Kollision zweier Neutronensterne in einem Bereich des Parameter Raums, deren zwei mögliche Endzustände entweder einen neuen stabilen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch darstellen. Im Jahr 1993, betrachtete Choptuik Ein-Parameter-Familien von Lösungen, S [P], der Einstein-Klein-Gordon-Gleichung für ein masseloses Skalarfeld in sphärischer Symmetrie, so dass für jedes P> P ⋆, S[P] ein Schwarzes Loch enthalten ist und jedes P