TY  - THES
A1  - Kolk, Jens
T1  - The long-term legacy of historical land cover changes
T1  - Die Langzeitfolgen historischer Landbedeckungsveränderungen
BT  - patterns and dynamics in herb-layer species richness in deciduous forests of the Prignitz region (NE Germany)
BT  - Muster und Dynamik der Artenvielfalt von Waldpflanzengemeinschaften in Laubwäldern der Prignitz (Nordostdeutschland)
N2  - Over the last years there is an increasing awareness that historical land cover changes and associated land use legacies may be important drivers for present-day species richness and biodiversity due to time-delayed extinctions or colonizations in response to historical environmental changes. Historically altered habitat patches may therefore exhibit an extinction debt or colonization credit and can be expected to lose or gain species in the future. However, extinction debts and colonization credits are difficult to detect and their actual magnitudes or payments have rarely been quantified because species richness patterns and dynamics are also shaped by recent environmental conditions and recent environmental changes.
In this thesis we aimed to determine patterns of herb-layer species richness and recent species richness dynamics of forest herb layer plants and link those patterns and dynamics to historical land cover changes and associated land use legacies. The study was conducted in the Prignitz, NE-Germany, where the forest distribution remained stable for the last ca. 100 years but where a) the deciduous forest area had declined by more than 90 per cent (leaving only remnants of "ancient forests"), b) small new forests had been established on former agricultural land ("post-agricultural forests"). Here, we analyzed the relative importance of land use history and associated historical land cover changes for herb layer species richness compared to recent environmental factors and determined magnitudes of extinction debt and colonization credit and their payment in ancient and post-agricultural forests, respectively.
We showed that present-day species richness patterns were still shaped by historical land cover changes that ranged back to more than a century. Although recent environmental conditions were largely comparable we found significantly more forest specialists, species with short-distance dispersal capabilities and clonals in ancient forests than in post-agricultural forests. Those species richness differences were largely contingent to a colonization credit in post-agricultural forests that ranged up to 9 species (average 4.7), while the extinction debt in ancient forests had almost completely been paid. Environmental legacies from historical agricultural land use played a minor role for species richness differences. Instead, patch connectivity was most important. Species richness in ancient forests was still dependent on historical connectivity, indicating a last glimpse of an extinction debt, and the colonization credit was highest in isolated post-agricultural forests. In post-agricultural forests that were better connected or directly adjacent to ancient forest patches the colonization credit was way smaller and we were able to verify a gradual payment of the colonization credit from 2.7 species to 1.5 species over the last six decades.
N2  - In den vergangenen Jahren reift immer mehr die Erkenntnis, dass historische Landnutzungsveränderungen und deren Folgewirkungen einen wichtigen Einfluss auf die heutige Artenvielfalt und Biodiversität haben können. In Habitaten, deren Landnutzung und Fläche sich in historischer Zeit verändert hat kann aufgrund von verzögerten Aussterbe- und Einwanderungsprozessen eine erhöhte oder verringerte Artenvielfalt vorliegen, die nicht den heutigen Umweltbedingungen entspricht. Es liegen Aussterbeschulden oder Einwanderungs- bzw. Kolonisierungskredite vor, welcher über die Zeit mit Artverlusten oder Zugewinnen von Arten bezahlt werden. Aussterbeschulden oder Einwanderungskredite und deren Bezahlung sind schwierig zu ermitteln, da einerseits Informationen zu historischen Landnutzungsveränderungen oft fehlen und andererseits auch heutige Umweltfaktoren einen wichtigen Einfluss auf die Artenvielfalt haben.
Das Ziel dieser Arbeit war es die heutigen Muster der Artenvielfalt von Waldbodenpflanzen in Laub- und Mischwäldern und deren Veränderungen über die letzten 60 Jahre zu ermitteln und diese Muster im Hinblick auf historische Landnutzungsveränderungen zu untersuchen. Das Studiengebiet umfasst große Teile der Prignitz (Brandenburg und angrenzende Teile von Sachsen-Anhalt), ein Gebiet, dessen Waldanteil sich in den letzten 100 Jahren kaum verändert hat, in dem sich jedoch seit dem Ende des 19ten Jahrhunderts der Anteil historisch alter Wälder (ohne historische nachgewiesene agrarliche Nutzung) um mehr als 90% reduziert hat, während an anderer Stelle wenige neue Wälder auf vorigen Agrarflächen etabliert wurden. Im Rahmen dieser Studie wurde zunächst die Artenvielfalt und deren aktuelle Veränderung in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern untersucht und verglichen. Um den Einfluss von historischen Landnutzungsveränderungen auf die Artenvielfalt zu ermittlen, wurde die historische und heutige Vernetzung der Waldflächen analysiert, die Umweltbedingungen in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern verglichen und der Umfang und die Bezahlung der Aussterbeschulden und der Kolonisierungskredite ermittelt.
Die Arbeit zeigt, dass historische Landnutzungsveränderungen die heutige Artenvielfalt noch immer beeinflussen. Obwohl die heutigen Umweltbedingungen in historisch-alten und neu etablierten Wäldern vergleichbar waren, war die Gesamtartenzahl in historisch-alten Wäldern signifikant höher und in diesen Wäldern wurden insbesondere mehr Waldspezialisten und sich nur über kurze Enfernung ausbreitende Pflanzenarten gefunden. Die Unterschiede in den Artenzahlen sind vor allem auf einen Kolonisierungskredit in neu etablierten Wäldern zurückzuführen, während die Aussterbeschulden in historisch-alten Wäldern weitgehend bezahlt wurden. Der Kolonisierungskredits war am höchsten in isoliert gelegenen Waldflächen und belief sich auf bis zu 9 Arten (im Mittel 4,7). Der Kolonisierungskredit in besser vernetzten und in direkt an historisch-alten Wäldern angrenzenden Flächen war deutlich geringer. In diesen Wäldern konnte eine Verringerung des Kolonisierungskredites von im Mittel 2,7 zu 1,5 Arten über die letzten sechs Jahrzehnte nachgewiesen werden.
KW  - ecology
KW  - plant science
KW  - extinction debt
KW  - colonization credit
KW  - species richness
KW  - land use history
KW  - Ökologie
KW  - Pflanzenwissenschaften
KW  - Botanik
KW  - Aussterbeschuld
KW  - Einwanderungskredit
KW  - Biodiversität
KW  - Landnutzungshistorie
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439398
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TY  - THES
A1  - Trautmann, Tina
T1  - Understanding global water storage variations using model-data integration
T1  - Verständnis der Variabilität globaler Wasserspeicher mittels Modell-Daten Integration
N2  - Climate change is one of the greatest challenges to humanity in this century, and most noticeable consequences are expected to be impacts on the water cycle – in particular the distribution and availability of water, which is fundamental for all life on Earth. In this context, it is essential to better understand where and when water is available and what processes influence variations in water storages. While estimates of the overall terrestrial water storage (TWS) variations are available from the GRACE satellites, these represent the vertically integrated signal over all water stored in ice, snow, soil moisture, groundwater and surface water bodies. Therefore, complementary observational data and hydrological models are still required to determine the partitioning of the measured signal among different water storages and to understand the underlying processes. However, the application of large-scale observational data is limited by their specific uncertainties and the incapacity to measure certain water fluxes and storages. Hydrological models, on the other hand, vary widely in their structure and process-representation, and rarely incorporate additional observational data to minimize uncertainties that arise from their simplified representation of the complex hydrologic cycle.
In this context, this thesis aims to contribute to improving the understanding of global water storage variability by combining simple hydrological models with a variety of complementary Earth observation-based data. To this end, a model-data integration approach is developed, in which the parameters of a parsimonious hydrological model are calibrated against several observational constraints, inducing GRACE TWS, simultaneously, while taking into account each data’s specific strengths and uncertainties. This approach is used to investigate 3 specific aspects that are relevant for modelling and understanding the composition of large-scale TWS variations. 
The first study focusses on Northern latitudes, where snow and cold-region processes define the hydrological cycle. While the study confirms previous findings that seasonal dynamics of TWS are dominated by the cyclic accumulation and melt of snow, it reveals that inter-annual TWS variations on the contrary, are determined by variations in liquid water storages. Additionally, it is found to be important to consider the impact of compensatory effects of spatially heterogeneous hydrological variables when aggregating the contribution of different storage components over large areas. Hence, the determinants of TWS variations are scale-dependent and underlying driving mechanism cannot be simply transferred between spatial and temporal scales. These findings are supported by the second study for the global land areas beyond the Northern latitudes as well. 
This second study further identifies the considerable impact of how vegetation is represented in hydrological models on the partitioning of TWS variations. Using spatio-temporal varying fields of Earth observation-based data to parameterize vegetation activity not only significantly improves model performance, but also reduces parameter equifinality and process uncertainties. Moreover, the representation of vegetation drastically changes the contribution of different water storages to overall TWS variability, emphasizing the key role of vegetation for water allocation, especially between sub-surface and delayed water storages. However, the study also identifies parameter equifinality regarding the decay of sub-surface and delayed water storages by either evapotranspiration or runoff, and thus emphasizes the need for further constraints hereof.
The third study focuses on the role of river water storage, in particular whether it is necessary to include computationally expensive river routing for model calibration and validation against the integrated GRACE TWS. The results suggest that river routing is not required for model calibration in such a global model-data integration approach, due to the larger influence other observational constraints, and the determinability of certain model parameters and associated processes are identified as issues of greater relevance. In contrast to model calibration, considering river water storage derived from routing schemes can already significantly improve modelled TWS compared to GRACE observations, and thus should be considered for model evaluation against GRACE data.
Beyond these specific findings that contribute to improved understanding and modelling of large-scale TWS variations, this thesis demonstrates the potential of combining simple modeling approaches with diverse Earth observational data to improve model simulations, overcome inconsistencies of different observational data sets, and identify areas that require further research. These findings encourage future efforts to take advantage of the increasing number of diverse global observational data.
N2  - Der Klimawandel stellt mit Abstand eine der größten Herausforderungen für die Menschheit in diesem Jahrhundert da, und die spürbarsten Folgen werden voraussichtlich die Auswirkungen auf den Wasserkreislauf sein - insbesondere auf die Verteilung und Verfügbarkeit von Wasser, welches Grundlage allen Lebens dieser Erde ist. In diesem Zusammenhang ist es von entscheidender Bedeutung, besser zu verstehen, wo und wann Wasser verfügbar ist und welche Prozesse natürliche Schwankungen der Wasserspeicher beeinflussen. Obwohl Schätzungen der Gesamtschwankungen der terrestrischen Wasserspeicher (TWS) basierend auf Daten der GRACE-Satelliten vorliegen, stellen diese nur das vertikal integrierte Signal über alles in Eis, Schnee, Bodenfeuchtigkeit, Grundwasser und Oberflächengewässern gespeicherte Wasser dar. Daher sind ergänzende Beobachtungsdaten und hydrologische Modelle notwendig, um die Aufteilung des gemessenen Signals auf verschiedenen Wasserspeicher zu bestimmen und die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen. Die Verwendung von großmaßstäblichen Beobachtungsdaten ist jedoch durch ihre spezifischen Unsicherheiten und die Unfähigkeit, bestimmte Wasserflüsse und -speicher zu messen, eingeschränkt. Hydrologische Modelle hingegen unterscheiden sich stark in ihrer Struktur und Prozessdarstellung und beziehen nur selten zusätzliche Beobachtungsdaten ein, um Unsicherheiten zu minimieren, die sich aus ihrer vereinfachten Darstellung des komplexen Wasserkreislaufs ergeben.
In diesem Zusammenhang gibt diese Arbeit einen Beitrag zum besseren Verständnis der Schwankungen globaler Wasserspeicher, indem einfache hydrologische Modelle mit einer Vielzahl sich ergänzender Erdbeobachtungsdaten kombiniert werden. Dafür wird ein Ansatz zur Integration von Modellen und Daten entwickelt, bei dem die Parameter eines einfachen hydrologischen Modells gleichzeitig gegen mehrere Beobachtungsdaten, inklusive GRACE TWS, kalibriert werden, wobei deren spezifischen Stärken und Unsicherheiten berücksichtigt werden. Dieser Ansatz wird genutzt, um drei spezifische Aspekte, die für die Modellierung und das Verständnis der Zusammensetzung großskaliger TWS-Schwankungen relevant sind, zu untersuchen.
Die erste Studie konzentriert sich auf die nördlichen Breiten, wo Schnee und Prozesse kalter Regionen den hydrologischen Kreislauf bestimmen. Während die Studie frühere Erkenntnisse darin bestätigt, dass die saisonale Dynamik des TWS von der zyklischen Akkumulation und Schmelze von Schnee dominiert wird, zeigt sie, dass die zwischenjährlichen TWS-Schwankungen im Gegenteil durch Variationen der Flüssigwasserspeicher bestimmt werden. Darüber hinaus wird festgestellt, dass es wichtig ist, die Auswirkungen kompensatorischer Effekte räumlich heterogener hydrologischer Variablen zu berücksichtigen, wenn der Beitrag verschiedener Speicherkomponenten über große Gebiete aggregiert wird. Die Determinanten der TWS-Schwankungen sind skalenabhängig, und die zugrunde liegenden Antriebsmechanismen lassen sich nicht einfach zwischen räumlichen und zeitlichen Skalen übertragen. Diese Ergebnisse werden durch die zweite Studie auch auf globaler Skale bestätigt. 
Diese zweite Studie zeigt außerdem, dass die Art und Weise, wie Vegetation in hydrologischen Modellen dargestellt wird, einen erheblichen Einfluss auf die Aufteilung der TWS-Variationen hat. Die Verwendung von raum-zeitlich variierenden Erdbeobachtungsdaten zur Parametrisierung der Vegetationsaktivität verbessert nicht nur die Modellleistung erheblich, sondern verringert auch die Parameterequifinalität und somit die Prozessunsicherheiten. Darüber hinaus beeinflusst die Repräsentation der Vegetation drastisch den Einfluss verschiedener Wasserspeicher zur Gesamtvariabilität des TWS und unterstreicht damit die Schlüsselrolle der Vegetation für die Wasserverteilung, insbesondere zwischen unterirdischen und verzögerten Wasserspeichern. Die Studie zeigt jedoch auch, dass die Parameter für den Verringerung der unterirdischen und verzögerten Wasserspeichern, entweder via Evapotranspiration oder via Abfluss, äquivalent sind, und unterstreicht damit die Notwendigkeit weiterer Eingrenzung durch Beobachtungsdaten.
Die dritte Studie befasst sich mit der Rolle der Wasserspeicherung in Flüssen, insbesondere mit der Frage, ob es notwendig ist, das rechenintensive Abfluss-Routing für die Kalibrierung und Validierung des Modells gegen GRACE TWS Daten zu berücksichtigen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Abfluss-Routing für die Modellkalibrierung in einem solchen globalen Modell-Daten-Integrationsansatz nicht erforderlich ist, da andere Beobachtungsdaten einen größeren Einfluss haben und die Definierbarkeit bestimmter Modellparameter und damit zusammenhängender Prozesse relevantere Probleme darstellen. Im Gegensatz zur Modellkalibrierung kann die Berücksichtigung von Flusswasserspeichern jedoch den modellierten TWS im Vergleich zu GRACE-Beobachtungen bereits erheblich verbessern und sollte daher bei der Modellevaluierung gegen GRACE-Daten berücksichtigt werden.
Über diese spezifischen Ergebnisse hinaus, die zum besseren Verständnis und Modellierung großskaliger TWS-Variationen beitragen, zeigt diese Arbeit das Potenzial der Kombination einfacher Modellierungsansätze mit verschiedenen Erdbeobachtungsdaten zur Verbesserung von Modellsimulationen, zur Überwindung von Inkonsistenzen zwischen verschiedenen Beobachtungsdatensätzen und zur Identifizierung von Themen, die weitere Forschung erfordern. Diese Ergebnisse ermutigen künftige Forschungen, die zunehmende Zahl unterschiedlicher globaler Beobachtungsdaten zu nutzen.
KW  - global hydrological modeling
KW  - model-data integration
KW  - terrestrial water storage variation
KW  - model calibration
KW  - globale hydrologische Modellierung
KW  - Modellkalibrierung
KW  - Model-Daten Integration
KW  - Variationen terrestrischer Wasserspeicher
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565954
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TY  - THES
A1  - Brenner, Andri Caspar
T1  - Sustainable urban growth
T1  - Nachhaltige urbane Wachstumspfade
BT  - technology supply and agglomeration economies in the city
BT  - Angebote an Technologie und Agglomerationsexternalitäten in den Städten
N2  - This dissertation explores the determinants for sustainable and socially optimalgrowth in a city. Two general equilibrium models establish the base for this evaluation, each adding its puzzle piece to the urban sustainability discourse and examining the role of non-market-based and market-based policies for balanced growth and welfare improvements in different theory settings. Sustainable urban growth either calls for policy actions or a green energy transition.  Further, R&D market failures can pose severe challenges to the sustainability of urban growth and the social optimality of decentralized allocation decisions. Still, a careful (holistic) combination of policy instruments can achieve sustainable growth and even be first best.
N2  - Diese Dissertation untersucht die Determinanten für ein nachhaltiges und sozial optimales Wachstum in den Städten. Zwei endogene Wachstumsmodelle untersuchen hierzu die Rolle von nichtmarktbasierten und marktbasierten Politikeingriffen. Jedes Modell fügt dabei dem städtischen Nachhaltigkeitsdiskurs sein eigenes Puzzleteil hinzu. Nachhaltiges städtisches Wachstum erfordert entweder politische Maßnahmen oder eine grüne Energiewende. Darüber hinaus können Verzerrungen im Forschungsmarkt ernsthafte Herausforderungen für die Nachhaltigkeit des städtischen Wachstums und für die soziale Optimalität dezentralisierter Allokationsentscheidungen darstellen. Dennoch kann eine sorgfältige (ganzheitliche) Kombination von Politikinstrumenten Erfolg haben und zu einem sozial optimalen Resultat führen.
KW  - urban growth
KW  - sustainable development
KW  - density effects
KW  - innovations in the city
KW  - Stadtwachstumsraten
KW  - nachhaltige Stadtentwicklung
KW  - Dichteeffekte
KW  - Innovationen in den Städten
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-555223
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TY  - THES
A1  - Neuendorf, Claudia
T1  - Leistungsstarke Schülerinnen und Schüler in Deutschland
T1  - High-achieving students in Germany
BT  - Definition, Entwicklung, soziale Integration
BT  - definition, development, social integration
N2  - Die vorliegende kumulative Promotionsarbeit beschäftigt sich mit leistungsstarken Schülerinnen und Schülern, die seit 2015 in der deutschen Bildungspolitik, zum Beispiel im Rahmen von Förderprogrammen wieder mehr Raum einnehmen, nachdem in Folge des „PISA-Schocks“ im Jahr 2000 zunächst der Fokus stärker auf den Risikogruppen lag. Während leistungsstärkere Schülerinnen und Schüler in der öffentlichen Wahrnehmung häufig mit „(Hoch-)Begabten“ identifiziert werden, geht die Arbeit über die traditionelle Begabungsforschung, die eine generelle Intelligenz als Grundlage für Leistungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern begreift und beforscht, hinaus. Stattdessen lässt sich eher in den Bereich der Talentforschung einordnen, die den Fokus weg von allgemeinen Begabungen auf spezifische Prädiktoren und Outcomes im individuellen Entwicklungsverlauf legt. Der Fokus der Arbeit liegt daher nicht auf Intelligenz als Potenzial, sondern auf der aktuellen schulischen Leistung, die als Ergebnis und Ausgangspunkt von Entwicklungsprozessen in einer Leistungsdomäne doppelte Bedeutung erhält. 
Die Arbeit erkennt die Vielgestaltigkeit des Leistungsbegriffs an und ist bestrebt, neue Anlässe zu schaffen, über den Leistungsbegriff und seine Operationalisierung in der Forschung zu diskutieren. Hierfür wird im ersten Teil ein systematisches Review zur Operationalisierung von Leistungsstärke durchgeführt (Artikel I). Es werden Faktoren herausgearbeitet, auf welchen sich die Operationalisierungen unterscheiden können. Weiterhin wird ein Überblick gegeben, wie Studien zu Leistungsstarken sich seit dem Jahr 2000 auf diesen Dimensionen verorten lassen. Es zeigt sich, dass eindeutige Konventionen zur Definition schulischer Leistungsstärke noch nicht existieren, woraus folgt, dass Ergebnisse aus Studien, die sich mit leistungsstarken Schülerinnen und Schülern beschäftigen, nur bedingt miteinander vergleichbar sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird im Rahmen zwei weiterer Artikel, welche sich mit der Leistungsentwicklung (Artikel II) und der sozialen Einbindung (Artikel III) von leistungsstarken Schülerinnen und Schülern befassen, darauf aufbauend der Ansatz verfolgt, die Variabilität von Ergebnissen über verschiedene Operationalisierungen von Leistungsstärke deutlich zu machen. Damit wird unter anderem auch die künftige Vergleichbarkeit mit anderen Studien erleichtert. Genutzt wird dabei das Konzept der Multiversumsanalyse (Steegen et al., 2016), bei welcher viele parallele Spezifikationen, die zugleich sinnvolle Alternativen für die Operationalisierung darstellen, nebeneinandergestellt und in ihrem Effekt verglichen werden (Jansen et al., 2021). Die Multiversumsanalyse knüpft konzeptuell an das bereits vor längerem entwickelte Forschungsprogramm des kritischen Multiplismus an (Patry, 2013; Shadish, 1986, 1993), erhält aber als spezifische Methode aktuell im Rahmen der Replizierbarkeitskrise in der Psychologie eine besondere Bedeutung. Dabei stützt sich die vorliegende Arbeit auf die Sekundäranalyse großangelegter Schulleistungsstudien, welche den Vorteil besitzen, dass eine große Zahl an Datenpunkten (Variablen und Personen) zur Verfügung steht, um Effekte unterschiedlicher Operationalisierungen zu vergleichen. 
Inhaltlich greifen Artikel II und III Themen auf, die in der wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Diskussion zu Leistungsstarken und ihrer Wahrnehmung in der Öffentlichkeit immer wieder aufscheinen: In Artikel II wird zunächst die Frage gestellt, ob Leistungsstarke bereits im aktuellen Regelunterricht einen kumulativen Vorteil gegenüber ihren weniger leistungsstarken Mitschülerinnen und Mitschülern haben (Matthäus-Effekt). Die Ergebnisse zeigen, dass an Gymnasien keineswegs von sich vergrößernden Unterschieden gesprochen werden kann. Im Gegenteil, es verringerte sich im Laufe der Sekundarstufe der Abstand zwischen den Gruppen, indem die Lernraten bei leistungsschwächeren Schülerinnen und Schülern höher waren. Artikel III hingegen betrifft die soziale Wahrnehmung von leistungsstarken Schülerinnen und Schülern. Auch hier hält sich in der öffentlichen Diskussion die Annahme, dass höhere Leistungen mit Nachteilen in der sozialen Integration einhergehen könnten, was sich auch in Studien widerspiegelt, die sich mit Geschlechterstereotypen Jugendlicher in Bezug auf Schulleistung beschäftigen. In Artikel III wird unter anderem erneut das Potenzial der Multiversumsanalyse genutzt, um die Variation des Zusammenhangs über Operationalisierungen von Leistungsstärke zu beschreiben. Es zeigt sich unter unterschiedlichen Operationalisierungen von Leistungsstärke und über verschiedene Facetten sozialer Integration hinweg, dass die Zusammenhänge zwischen Leistung und sozialer Integration insgesamt leicht positiv ausfallen. Annahmen, die auf differenzielle Effekte für Jungen und Mädchen oder für unterschiedliche Fächer abzielen, finden in diesen Analysen keine Bestätigung. 
Die Dissertation zeigt, dass der Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Operationalisierung von Leistungsstärke — eingesetzt im Rahmen eines kritischen Multiplismus — das Verständnis von Phänomenen vertiefen kann und auch das Potenzial hat, Theorieentwicklung voranzubringen.
N2  - This cumulative doctoral thesis deals with high-achieving students. Since 2015, this group has regained attention in German education policy, which had focused more on at-risk groups in the wake of the German "PISA shock" in 2000. In public perception, high-achieving students are often equated with "(highly) gifted" individuals. However, this work goes beyond traditional giftedness research, which understands and researches general intelligence as the basis for students' performance. Instead, it can rather be placed in the field of talent research, which shifts the focus away from general giftedness to specific predictors and outcomes in individual developmental trajectories. Therefore, the work focuses not on intelligence as a potential but on current academic performance, which takes on a double meaning as the result and starting point of developmental processes in a performance domain.  
This work recognises the multifaceted nature of the concept of performance and strives to create new occasions to discuss the concept of performance and its operationalisation in research. To this end, a systematic review of the operationalisation of high achievement in studies since the year 2000 was conducted in the first part (Article I). First, we identified factors on which operationalisations can differ. Following that, studies were located on these dimensions. Results showed that clear conventions for defining academic achievement do not yet exist, which means that results from studies dealing with high-achieving students can only be compared to a limited extent. In the second part of the thesis, two further articles dealing with the development of performance (Article II) and the social integration (Article III) of high-achieving secondary school students built on the results of the first article and examined the variability of results by applying different operationalisations of achievement. Among other things, this facilitates future comparability with other studies. The concept of multiverse analysis (Steegen, Tuerlinckx, Gelman & Vanpaemel, 2016) was used for this purpose. In a multiverse analysis, many parallel specifications, which at the same time represent sensible alternatives for an operationalisation, are juxtaposed and compared in terms of their effect (Jansen, Neuendorf & Kocaj, 2021). Conceptually, multiverse analysis is linked to the research programme of Critical Multiplism, which was developed some time ago (Patry, 2013; Shadish, 1986, 1993). However, as a specific method, multiverse analysis is currently gaining special significance in the context of the replicability crisis in psychology. The present studies are based on the secondary analysis of large-scale school performance studies, which have the advantage that many data points (variables and persons) are available to compare the effects of different operationalisations.   
In terms of content, Articles II and III take up topics that repeatedly come up in the academic and public discussion on high achievers and their public perception: Article II begins by asking whether high-achievers already have a cumulative advantage over their lower-achieving classmates in the current regular classroom (Matthew effect). The results show that at grammar schools, one can by no means speak of widening differences. On the contrary, the gap between the groups narrowed in the course of secondary school, in that learning rates were higher among lower-performing students. Article III, on the other hand, concerns the social perception of high-achieving pupils. Here, the assumption persists in the public debate that higher performance might be associated with disadvantages in social integration, which is also reflected in studies dealing with gender stereotypes of young people in relation to school performance. In Article III, among other things, the potential of multiverse analysis was used to describe the variation in the relationship between achievement and social integration across operationalisations of achievement. Overall, across different facets of social integration and different operationalisations of achievement, the correlations between both were slightly positive. These analyses did not confirm assumptions aimed at differential effects for boys and girls or for different subjects.  
The dissertation shows that the comparison of different approaches to the operationalisation of achievement - used in the context of critical multiplism - can deepen the understanding of phenomena and also has the potential to advance theory development.
KW  - leistungsstarke Schüler
KW  - Begabung
KW  - Leistungsentwicklung
KW  - Integration
KW  - Operationalisierung
KW  - giftedness
KW  - integration
KW  - achievement trajectory
KW  - operationalisation; operationalization
KW  - high-achieving students; high-performing students; high-achievers
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564702
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TY  - THES
A1  - Forster, Florian
T1  - Continuous microgravity monitoring of the Þeistareykir geothermal field (North Iceland)
N2  - In my doctoral thesis, I examine continuous gravity measurements for monitoring of the geothermal site at Þeistareykir in North Iceland. With the help of high-precision superconducting gravity meters (iGravs), I investigate underground mass changes that are caused by operation of the geothermal power plant (i.e. by extraction of hot water and reinjection of cold water). The overall goal of this research project is to make a statement about the sustainable use of the geothermal reservoir, from which also the Icelandic energy supplier and power plant operator Landsvirkjun should benefit.
As a first step, for investigating the performance and measurement stability of the gravity meters, in summer 2017, I performed comparative measurements at the gravimetric observatory J9 in Strasbourg. From the three-month gravity time series, I examined calibration, noise and drift behaviour of the iGravs in comparison to stable long-term time series of the observatory superconducting gravity meters. After preparatory work in Iceland (setup of gravity stations, additional measuring equipment and infrastructure, discussions with Landsvirkjun and meetings with the Icelandic partner institute ISOR), gravity monitoring at Þeistareykir was started in December 2017. With the help of the iGrav records of the initial 18 months after start of measurements, I carried out the same investigations (on calibration, noise and drift behaviour) as in J9 to understand how the transport of the superconducting gravity meters to Iceland may influence instrumental parameters.
In the further course of this work, I focus on modelling and reduction of local gravity contributions at Þeistareykir. These comprise additional mass changes due to rain, snowfall and vertical surface displacements that superimpose onto the geothermal signal of the gravity measurements. For this purpose, I used data sets from additional monitoring sensors that are installed at each gravity station and adapted scripts for hydro-gravitational modelling. The third part of my thesis targets geothermal signals in the gravity measurements.
Together with my PhD colleague Nolwenn Portier from France, I carried out additional gravity measurements with a Scintrex CG5 gravity meter at 26 measuring points within the geothermal field in the summers of 2017, 2018 and 2019. These annual time-lapse gravity measurements are intended to increase the spatial coverage of gravity data from the three continuous monitoring stations to the entire geothermal field. The combination of CG5 and iGrav observations, as well as annual reference measurements with an FG5 absolute gravity meter represent the hybrid gravimetric monitoring method for Þeistareykir. Comparison of the gravimetric data to local borehole measurements (of groundwater levels, geothermal extraction and injection rates) is used to relate the observed gravity changes to the actually extracted (and reinjected) geothermal fluids. An approach to explain the observed gravity signals by means of forward modelling of the geothermal production rate is presented at the end of the third (hybrid gravimetric) study. Further modelling with the help of the processed gravity data is planned by Landsvirkjun. In addition, the experience from time-lapse and continuous gravity monitoring will be used for future gravity measurements at the Krafla geothermal field 22 km south-east of Þeistareykir.
N2  - In meiner Doktorarbeit beschäftige ich mich mit kontinuierlichen Schweremessungen zum Monitoring des geothermisch genutzten Standorts Þeistareykir in Nordisland. Unter Verwendung von hochpräzisen Supraleitgravimetern (iGravs) untersuche ich unterirdische Massenveränderungen, die durch den Betrieb des isländischen Erdwärmekraftwerks (d.h. durch die Entnahme von Heißwasser und Rückinjektion von Kaltwasser) hervorgerufen werden. Als übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes soll eine Aussage zur nachhaltigen Nutzung des geothermischen Reservoirs gemacht werden, von der auch der isländische Energieversorger und Kraftwerksbetreiber Landsvirkjun profitieren soll.
Als ersten Schritt, zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit und Messstabilität der Gravimeter, begleitete ich im Sommer 2017 Vergleichsmessungen in dem gravimetrischen Observatorium J9 in Straßburg. Aus den dreimonatigen Messzeitreihen untersuchte ich Kalibration, Rausch- und Driftverhalten der iGravs im Vergleich zu den betriebssicher laufenden Observatoriums-Supraleitgravimetern. Nach vorbereitender Arbeit in Island (Aufbau der Gravimeter-Stationen und zusätzlicher Messeinrichtung, Einrichtung der Infrastruktur, Gespräche mit Landsvirkjun und Treffen mit isländischen Partnerinstitut ISOR) startete ich mit meinen Kollegen im Dezember 2017 das Gravimeter-Monitoring in Þeistareykir. Anhand der iGrav-Aufzeichnungen der ersten 18 Monaten nach Messbeginn führte ich die gleichen Untersuchungen (zu Kalibration, Rausch- und Driftverhalten) wie in J9 durch, um zu verstehen inwieweit der Transport der Supraleitgravimeter nach Island die Geräteeigenschaften beeinflusst hat.
Im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit beschäftige ich mich verstärkt mit der Modellierung und Korrektur von oberflächennahen Schwereeffekten in Þeistareykir. Dies umfasst zusätzliche Massenbewegungen durch Regen, Schneefall oder vulkanisch-tektonische Bodenbewegungen, die das geothermische Signal in den Gravimeter-Messungen überlagern. Als Hilfsmittel verwende ich die Datensätze der zusätzlich an jeder Gravimeter-Station eingerichteten Messsensorik und von mir angepasste Modellierungsskripte meiner Gravimetrie-Kollegen.
Als dritten Punkt meiner Dissertation untersuche ich die geothermischen Signale in den Gravimeter-Messungen. Gemeinsam mit meiner PhD-Kollegin Nolwenn Portier aus Frankreich führte ich in den Sommern 2017, 2018 und 2019 zusätzliche Schweremessungen mit einem Scintrex CG5 Gravimeter an 26 im Geothermie-Feld verteilten Messpunkten durch. Diese jährlich begrenzten Schweredaten dienen der Verbesserung der räumlichen Auflösung unserer kontinuierlichen iGrav-Messungen. Die kombinierten Ergebnisse beider Messmethoden (der CG5 und iGrav Gravimeter), sowie jährlich im Messgebiet durchgeführter Referenz-Messungen mit einem FG5 Absolut-Gravimeter, komplettieren das hybridgravimetrische Monitoring am Messstandort Þeistareykir. Die abschließende Gegenüberstellung der gravimetrischen Daten mit lokalen Bohrlochmessungen (von Grundwasserpegeln, geothermischen Extraktions- und Injektions-Raten) des Kraftwerksbetreibers, ermöglicht einen direkten Vergleich der beobachteten Schwereveränderungen mit den tatsächlich geförderten geothermischen Fluiden. Ein Ansatz zur Erklärung des beobachteten Schweresignals mittels Vorwärtsmodellierung der geförderten geothermischen Förderrate wird im Abschluss der dritten (hybridgravimetrischen) Studie vorgestellt. Weitere Modellierungen unter Verwendung der aufbereiteten gravimetrischen Messdaten sind durch den Kraftwerksbetreibers von Þeistareykir geplant. Außerdem sollen die gesammelten Erfahrungen des gravimetrischen Messnetzes und Monitorings in Þeistareykir zur Durchführung weiterer gravimetrischer Messungen an dem 22 km südöstlich gelegenem Geothermiefeld Krafla genutzt werden.
T2  - Kontinuierliche Schweremessungen zum Monitoring des Geothermalfeldes Þeistareykir (Nordisland)
KW  - Superconducting gravimetry
KW  - Geothermal monitoring
KW  - Time series analysis
KW  - Þeistareykir Iceland
KW  - Geothermisches Monitoring
KW  - Supraleit-Gravimetrie
KW  - Zeitreihenanalyse
KW  - Þeistareykir Island
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548517
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TY  - THES
A1  - Farkas, Marton Pal
T1  - Hydraulic fracturing in hard rock – numerical studies from laboratory to reservoir scale
T1  - Hydraulische Brüche in Hartgestein - Numerische Studien vom Labor- bis zum Reservoirmaßstab
N2  - Hydraulic-driven fractures play a key role in subsurface energy technologies across several scales. By injecting fluid at high hydraulic pressure into rock with intrinsic low permeability, in-situ stress field and fracture development pattern can be characterised as well as rock permeability can be enhanced. Hydraulic fracturing is a commercial standard procedure for enhanced oil and gas production of rock reservoirs with low permeability in petroleum industry. However, in EGS utilization, a major geological concern is the unsolicited generation of earthquakes due to fault reactivation, referred to as induced seismicity, with a magnitude large enough to be felt on the surface or to damage facilities and buildings. Furthermore, reliable interpretation of hydraulic fracturing tests for stress measurement is a great challenge for the energy technologies. Therefore, in this cumulative doctoral thesis the following research questions are investigated. (1): How do hydraulic fractures grow in hard rock at various scales?; (2): Which parameters control hydraulic fracturing and hydro-mechanical coupling?; and (3): How can hydraulic fracturing in hard rock be modelled?
In the laboratory scale study, several laboratory hydraulic fracturing experiments are investigated numerically using Irazu2D that were performed on intact cubic Pocheon granite samples from South Korea applying different injection protocols. The goal of the laboratory experiments is to test the concept of cyclic soft stimulation which may enable sustainable permeability enhancement (Publication 1). 
In the borehole scale study, hydraulic fracturing tests are reported that were performed in boreholes located in central Hungary to determine the in-situ stress for a geological site investigation. At depth of about 540 m, the recorded pressure versus time curves in mica schist with low dip angle foliation show atypical evolution. In order to provide explanation for this observation, a series of discrete element computations using Particle Flow Code 2D are performed (Publication 2).
In the reservoir scale study, the hydro-mechanical behaviour of fractured crystalline rock due to one of the five hydraulic stimulations at the Pohang Enhanced Geothermal site in South Korea is studied. Fluid pressure perturbation at faults of several hundred-meter lengths during hydraulic stimulation is simulated using FracMan (Publication 3).
The doctoral research shows that the resulting hydraulic fracturing geometry will depend “locally”, i.e. at the length scale of representative elementary volume (REV) and below that (sub-REV), on the geometry and strength of natural fractures, and “globally”, i.e. at super-REV domain volume, on far-field stresses. Regarding hydro-mechanical coupling, it is suggested to define separate coupling relationship for intact rock mass and natural fractures. Furthermore, the relative importance of parameters affecting the magnitude of formation breakdown pressure, a parameter characterising hydro-mechanical coupling, is defined. It can be also concluded that there is a clear gap between the capacity of the simulation software and the complexity of the studied problems. Therefore, the computational time of the simulation of complex hydraulic fracture geometries must be reduced while maintaining high fidelity simulation results. This can be achieved either by extending the computational resources via parallelization techniques or using time scaling techniques. The ongoing development of used numerical models focuses on tackling these methodological challenges.
N2  - Hydraulische Risserzeugung (aus dem Englischen „Hydraulic Fracturing“; auch hydraulische Stimulation genannt) spielt eine Schlüsselrolle in unterirdischen Energietechnologien auf verschiedenen Skalen. Durch Injektion von Flüssigkeit mit hohem hydraulischem Druck im Gestein mit geringer Permeabilität können das Spannungsfeld und das Bruchentwicklungsmuster in-situ charakterisiert sowie die Gesteinspermeabilität erhöht werden. Hydraulic Fracturing ist ein kommerzielles Standardverfahren zur verbesserten Öl- und Gasförderung aus geringpermeablen Gesteinsformationen in der Erdölindustrie. Ein großes geologisches Problem bei der geothermischen Nutzung ist die ungewollte Erzeugung von Erdbeben aufgrund einer Verwerfungsreaktivierung, die als induzierte Seismizität bezeichnet wird und eine Größenordnung hat, die groß genug ist, dass sie an der Oberfläche zu spüren ist und sogar Gebäude beschädigen kann. Darüber hinaus ist die zuverlässige Interpretation von Hydraulic-Fracturing-Tests zur Spannungsmessung eine große Herausforderung für die Energietechnologien. Daher werden in dieser kumulativen Dissertation folgende Forschungsfragen untersucht: (1): Wie wachsen hydraulische Risse in Hartgestein in verschiedenen Skalen? (2): Welche Parameter steuern das hydraulische Versagen und die hydromechanische Kopplung? und (3): Wie kann hydraulische Risserzeugung in Hartgestein modelliert werden?
In der Studie im Labormaßstab werden mehrere Hydrofracturing-Laborexperimente numerisch mit Irazu2D untersucht, die an intakten kubischen Pocheon-Granitproben aus Südkorea unter Anwendung verschiedener Injektionsprotokolle durchgeführt wurden. Das Ziel der Laborexperimente ist es, das Konzept der zyklischen sanften Stimulation zu testen, die eine nachhaltige Permeabilitätserhöhung ermöglichen kann (Veröffentlichung 1).
Die Studie im Bohrlochmaßstab untersucht Hydraulic Fracturing Tests, die in Bohrlöchern in Mittel-Ungarn durchgeführt wurden, um das in-situ Spannungsfeld für eine geologische Standortuntersuchung zu bestimmen. In einer Tiefe von etwa 540 m zeigen die aufgezeichneten Druck-Zeit-Kurven im Glimmerschiefer mit einer Schieferung mit geringem Neigungswinkel eine atypische Entwicklung. Um diese Beobachtung zu erklären, wird eine Reihe von diskreten Elementberechnungen unter Verwendung von Particle Flow Code 2D durchgeführt (Veröffentlichung 2).
In der Studie im Reservoirmaßstab wird das hydromechanische Verhalten des aufgebrochenen kristallinen Gesteins an einer der fünf hydraulischen Stimulationen am Pohang Enhanced Geothermal System (EGS) Standort in Südkorea untersucht. Mit FracMan wird die Fluiddruckstörung an Verwerfungen von mehreren hundert Metern Länge während der hydraulischen Stimulation simuliert (Veröffentlichung 3).
Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die resultierende hydraulische Bruchgeometrie „lokal“, d. h. auf der Längenskala des repräsentativen Elementarvolumens (REV) und darunter (sub-REV) von der Geometrie und Stärke natürlicher Risse und „global“, d.h.  bei Super-REV-Domänenvolumen, vom Spannungsfeld abhängt. In Bezug auf die hydromechanische Kopplung wird vorgeschlagen, separate Kopplungsbeziehungen für intakte Gesteinsmassen und natürliche Risse zu definieren. Darüber hinaus wird die relative Bedeutung von Parametern definiert, die die Größe des Formationsbruchdrucks beeinflussen, ein Parameter, der die hydromechanische Kopplung charakterisiert. Es kann auch festgestellt werden, dass es eine klare Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware und der Komplexität der untersuchten Probleme gibt. Daher muss die Rechenzeit der Simulation komplexer hydraulischer Rissgeometrien reduziert werden, währenddessen die Simulationsergebnisse mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies kann entweder durch Erweiterung der Rechenressourcen über Parallelisierungstechniken oder durch Verwendung von Zeitskalierungstechniken erreicht werden. Die Weiterentwicklung der verwendeten numerischen Modelle konzentriert sich auf die Bewältigung dieser methodischen Herausforderungen.
KW  - hydraulic fracturing
KW  - enhanced geothermal system
KW  - stress measurement
KW  - numerical modelling
KW  - hydraulische Risserzeugung
KW  - petrothermales System (EGS)
KW  - Spannungsmessung
KW  - numerische Modellierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549343
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mbaya Mani, Christian
T1  - Functional nanoporous carbon-based materials derived from oxocarbon-metal coordination complexes
T1  - Funktionale nanoporöse Kohlenstoffmaterialien auf Basis von Oxokohlenstoff-Metal Koordinationskomplexe
N2  - Nanoporous carbon based materials are of particular interest for both science and industry due to their exceptional properties such as a large surface area, high pore volume, high electroconductivity as well as high chemical and thermal stability. Benefiting from these advantageous properties, nanoporous carbons proved to be useful in various energy and environment related applications including energy storage and conversion, catalysis, gas sorption and separation technologies. The synthesis of nanoporous carbons classically involves thermal carbonization of the carbon precursors (e.g. phenolic resins, polyacrylonitrile, poly(vinyl alcohol) etc.) followed by an activation step and/or it makes use of classical hard or soft templates to obtain well-defined porous structures. However, these synthesis strategies are complicated and costly; and make use of hazardous chemicals, hindering their application for large-scale production. Furthermore, control over the carbon materials properties is challenging owing to the relatively unpredictable processes at the high carbonization temperatures.

In the present thesis, nanoporous carbon based materials are prepared by the direct heat treatment of crystalline precursor materials with pre-defined properties. This synthesis strategy does not require any additional carbon sources or classical hard- or soft templates. The highly stable and porous crystalline precursors are based on coordination compounds of the squarate and croconate ions with various divalent metal ions including Zn2+, Cu2+, Ni2+, and Co2+, respectively. Here, the structural properties of the crystals can be controlled by the choice of appropriate synthesis conditions such as the crystal aging temperature, the ligand/metal molar ratio, the metal ion, and the organic ligand system. In this context, the coordination of the squarate ions to Zn2+ yields porous 3D cube crystalline particles. The morphology of the cubes can be tuned from densely packed cubes with a smooth surface to cubes with intriguing micrometer-sized openings and voids which evolve on the centers of the low index faces as the crystal aging temperature is raised. By varying the molar ratio, the particle shape can be changed from truncated cubes to perfect cubes with right-angled edges.
These crystalline precursors can be easily transformed into the respective carbon based materials by heat treatment at elevated temperatures in a nitrogen atmosphere followed by a facile washing step. The resulting carbons are obtained in good yields and possess a hierarchical pore structure with well-organized and interconnected micro-, meso- and macropores. Moreover, high surface areas and large pore volumes of up to 1957 m2 g-1 and 2.31 cm3 g-1 are achieved, respectively, whereby the macroscopic structure of the precursors is preserved throughout the whole synthesis procedure. 

Owing to these advantageous properties, the resulting carbon based materials represent promising supercapacitor electrode materials for energy storage applications. This is exemplarily demonstrated by employing the 3D hierarchical porous carbon cubes derived from squarate-zinc coordination compounds as electrode material showing a specific capacitance of 133 F g-1 in H2SO4 at a scan rate of 5 mV s-1 and retaining 67% of this specific capacitance when the scan rate is increased to 200 mV s-1. 
In a further application, the porous carbon cubes derived from squarate-zinc coordination compounds are used as high surface area support material and decorated with nickel nanoparticles via an incipient wetness impregnation. The resulting composite material combines a high surface area, a hierarchical pore structure with high functionality and well-accessible pores. Moreover, owing to their regular micro-cube shape, they allow for a good packing of a fixed-bed flow reactor along with high column efficiency and a minimized pressure drop throughout the packed reactor. Therefore, the composite is employed as heterogeneous catalyst in the selective hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-dimethylfuran showing good catalytic performance and overcoming the conventional problem of column blocking.

Thinking about the rational design of 3D carbon geometries, the functions and properties of the resulting carbon-based materials can be further expanded by the rational introduction of heteroatoms (e.g. N, B, S, P, etc.) into the carbon structures in order to alter properties such as wettability, surface polarity as well as the electrochemical landscape. In this context, the use of crystalline materials based on oxocarbon-metal ion complexes can open a platform of highly functional materials for all processes that involve surface processes.
N2  - Nanoporöse Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich u. a. durch ihre außergewöhnlichen Eigenschaften aus wie z. B. hohe Oberfläche, hohes Porenvolumen, hohe elektrische Leitfähigkeit und auch hohe chemische und thermische Stabilität. Aufgrund dessen finden sie Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen von der Speicherung elektrischer Energie bis hin zur Katalyse und Gasspeicherung. Die klassische Synthese von porösen Kohlenstoffmaterialien basiert u. a. auf der Nutzung von sogenannten anorganischen bzw. organischen Templaten und/oder chemischen Aktivierungsagenzien. Allerdings gelten diese Methoden eher als kompliziert, kostspielig und umweltschädlich. Außerdem wird eine gezielte Kontrolle der Produkteigenschaften durch die zahlreichen Prozesse erschwert, die sich bei den hohen Karbonisierungstemperaturen abspielen und folglich die Materialeigenschaften unvorhersehbar verändern können. 

In der vorliegenden Arbeit wird ein alternatives Konzept für die Synthese von nanoporösen Kohlenstoffmaterialien mit gezielt einstellbaren Eigenschaften vorgestellt. Diese basiert auf der Nutzung von kristallinen Vorläufermaterialien, die aus der Koordination von den Anionen der Quadratsäure bzw. der Krokonsäure mit verschiedenen Metallionen (Zn2+, Cu2+, Ni2+ und Co2+) resultieren. Diese haben den Vorteil, dass Eigenschaften wie z. B. die Partikelmorphologie und Porosität gezielt durch die Wahl geeigneter Syntheseparameter (z. B. Temperatur, molares Verhältnis, Metallion und Ligand) eingestellt werden können. Beispielsweise führen Koordinationskomplexe von der Quadratsäure mit Zn2+ in Wasser zu porösen 3D würfelförmigen Mikrokristallen, die durch einfache thermische Behandlung unter Schutzgasatmosphäre zu den entsprechenden Kompositen umgewandelt werden. Ein anschließender Waschschritt führt zu den entsprechenden Kohlenstoffmaterialien unter Erhalt der makroskopischen Struktur der kristallinen Vorläufermaterialien. In diesem Zusammenhang weisen die resultierenden Kohlenstoffe ebenfalls eine 3D Würfelform mit einer hierarchischen Porenstruktur bestehend aus vernetzten Mikro-, Meso- und Makroporen auf. Ferner besitzen die Kohlenstoffe hohe Oberflächen und Porenvolumen von bis zu 1.957 m2 g-1 bzw. 2,31 cm3 g-1.
Um die Vorteile dieser Eigenschaften zu demonstrieren, werden sie als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren getestet und zeigen dabei vielversprechende Kapazitäten. Außerdem, werden sie auch als Trägermaterial für die Immobilisierung von Nickel-Nanopartikel verwendet und als heterogene Katalysatoren in der selektiven Hydrierung von 5-hydroxymethylfurfural zu 2,5-dimethylfuran in einem Festbettreaktor eingesetzt. Dabei wird eine gute Katalysatorleistung (Produktivität) bei minimalem Druckabfall in der Reaktorsäule erreicht.
KW  - squaric acid
KW  - Quadratsäure
KW  - mesocrystals
KW  - Mesokristalle
KW  - nanoporöser Kohlenstoffpartikel
KW  - nanoporous carbon particles
KW  - Nanopartikel
KW  - nanoparticles
KW  - Koordinationskomplexe
KW  - coordination complexes
KW  - oxocarbon
KW  - Oxo-Kohlenstoff
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-407866
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmitz, Seán
T1  - Using low-cost sensors to gather high resolution measurements of air quality in urban environments and inform mobility policy
N2  - Air pollution has been a persistent global problem in the past several hundred years. While some industrialized nations have shown improvements in their air quality through stricter regulation, others have experienced declines as they rapidly industrialize. The WHO’s 2021 update of their recommended air pollution limit values reflects the substantial impacts on human health of pollutants such as NO2 and O3, as recent epidemiological evidence suggests substantial long-term health impacts of air pollution even at low concentrations. Alongside developments in our understanding of air pollution's health impacts, the new technology of low-cost sensors (LCS) has been taken up by both academia and industry as a new method for measuring air pollution. Due primarily to their lower cost and smaller size, they can be used in a variety of different applications, including in the development of higher resolution measurement networks, in source identification, and in measurements of air pollution exposure. While significant efforts have been made to accurately calibrate LCS with reference instrumentation and various statistical models, accuracy and precision remain limited by variable sensor sensitivity. Furthermore, standard procedures for calibration still do not exist and most proprietary calibration algorithms are black-box, inaccessible to the public. This work seeks to expand the knowledge base on LCS in several different ways: 1) by developing an open-source calibration methodology; 2) by deploying LCS at high spatial resolution in urban environments to test their capability in measuring microscale changes in urban air pollution; 3) by connecting LCS deployments with the implementation of local mobility policies to provide policy advice on resultant changes in air quality. 
In a first step, it was found that LCS can be consistently calibrated with good performance against reference instrumentation using seven general steps: 1) assessing raw data distribution, 2) cleaning data, 3) flagging data, 4) model selection and tuning, 5) model validation, 6) exporting final predictions, and 7) calculating associated uncertainty. By emphasizing the need for consistent reporting of details at each step, most crucially on model selection, validation, and performance, this work pushed forward with the effort towards standardization of calibration methodologies. In addition, with the open-source publication of code and data for the seven-step methodology, advances were made towards reforming the largely black-box nature of LCS calibrations.
With a transparent and reliable calibration methodology established, LCS were then deployed in various street canyons between 2017 and 2020. Using two types of LCS, metal oxide (MOS) and electrochemical (EC), their performance in capturing expected patterns of urban NO2 and O3 pollution was evaluated. Results showed that calibrated concentrations from MOS and EC sensors matched general diurnal patterns in NO2 and O3 pollution measured using reference instruments. While MOS proved to be unreliable for discerning differences among measured locations within the urban environment, the concentrations measured with calibrated EC sensors matched expectations from modelling studies on NO2 and O3 pollution distribution in street canyons. As such, it was concluded that LCS are appropriate for measuring urban air quality, including for assisting urban-scale air pollution model development, and can reveal new insights into air pollution in urban environments.
To achieve the last goal of this work, two measurement campaigns were conducted in connection with the implementation of three mobility policies in Berlin. The first involved the construction of a pop-up bike lane on Kottbusser Damm in response to the COVID-19 pandemic, the second surrounded the temporary implementation of a community space on Böckhstrasse, and the last was focused on the closure of a portion of Friedrichstrasse to all motorized traffic. In all cases, measurements of NO2 were collected before and after the measure was implemented to assess changes in air quality resultant from these policies. Results from the Kottbusser Damm experiment showed that the bike-lane reduced NO2 concentrations that cyclists were exposed to by 22 ± 19%. On Friedrichstrasse, the street closure reduced NO2 concentrations to the level of the urban background without worsening the air quality on side streets. These valuable results were communicated swiftly to partners in the city administration responsible for evaluating the policies’ success and future, highlighting the ability of LCS to provide policy-relevant results.
As a new technology, much is still to be learned about LCS and their value to academic research in the atmospheric sciences. Nevertheless, this work has advanced the state of the art in several ways. First, it contributed a novel open-source calibration methodology that can be used by a LCS end-users for various air pollutants. Second, it strengthened the evidence base on the reliability of LCS for measuring urban air quality, finding through novel deployments in street canyons that LCS can be used at high spatial resolution to understand microscale air pollution dynamics. Last, it is the first of its kind to connect LCS measurements directly with mobility policies to understand their influences on local air quality, resulting in policy-relevant findings valuable for decisionmakers. It serves as an example of the potential for LCS to expand our understanding of air pollution at various scales, as well as their ability to serve as valuable tools in transdisciplinary research.
N2  - Luftverschmutzung ist seit hundert Jahren ein anhaltendes globales Problem. Während sich die Luftqualität in einigen Industrieländern durch strengere Vorschriften verbessert hat, hat sie sich in anderen Ländern im Zuge der schnell fortschreitenden Industrialisierung verschlechtert. Die Aktualisierung der von der WHO für das Jahr 2021 empfohlenen Grenzwerte für die Luftverschmutzung spiegelt die erheblichen Aus-wirkungen von Schadstoffen wie Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) auf die menschliche Gesundheit wider, da neuere epidemiologische Erkenntnisse darauf hindeuten, dass Luft-verschmutzung selbst bei niedrigen Konzentrationen erhebliche langfristige gesundheitliche Auswirkungen hat. Parallel zu den Entwicklungen in unserem Verständnis der gesundheitlichen Auswirkungen von Luftverschmutzung wurde die neue Technologie der Low-Cost-Sensoren (LCS) sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie als neue Methode zur Messung der Luftverschmutzung aufgegriffen. Vor allem aufgrund ihrer geringeren Kosten und kleineren Größe können sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, u. a. bei der Entwicklung von Messnetzen mit höherer räumlicher Auf-lösung, bei der Identifizierung von Quellen und bei der Messung der Luftverschmutzung. Es wurden zwar erhebliche Anstrengungen unternommen, um LCS mit Hilfe von Referenzinstrumenten und verschiedenen statistischen Modellen genau zu kalibrieren, aber die Genauigkeit und Präzision bleiben durch die variable Sensorempfindlichkeit begrenzt. Darüber hinaus gibt es immer noch keine Standardverfahren für die Kalibrierung, und die meisten proprietären Kalibrierungsalgorithmen sind Blackboxen, die für die Öffentlichkeit nicht zugänglich sind. Mit dieser Arbeit soll die Wissensbasis über LCS auf verschiedene Weise erweitert werden: 1) durch die Entwicklung einer Open-Source-Kalibrierungsmethodik; 2) durch den Einsatz von LCS mit hoher räumlicher Auflösung in städtischen Umgebungen, um ihre Fähigkeit zur Messung kleinräumlicher Veränderungen der städtischen Luftverschmutzung zu testen; 3) durch die Verknüpfung von LCS-Einsätzen mit der Umsetzung lokaler Verkehrsmaßnahmen, um politische Empfehlungen zu den daraus resultierenden Veränderungen der Luftqualität geben zu können. 
In einem ersten Schritt wurde festgestellt, dass LCS mit Hilfe von sieben allgemeinen Schritten konsistent und mit guter Leistung gegenüber Referenzinstrumenten kalibriert werden können: 1) Bewertung der Rohdatenverteilung, 2) Datenbereinigung, 3) Kenn-zeichnung von Daten, 4) Modellauswahl und -abstimmung, 5) Modellvalidierung, 6) Export der endgültigen Vorhersagen und 7) Berechnung der damit verbundenen Unsicherheit. Durch die Betonung der Notwendigkeit einer konsistenten Berichterstattung über Details bei jedem Schritt, insbesondere bei der Modellauswahl, -validierung und 
-leistung, hat diese Arbeit die Bemühungen um eine Standardisierung der Kalibrierungs-methoden vorangetrieben. Darüber hinaus wurden mit der Open-Source-Veröffentlichung von Code und Daten für die siebenstufige Methodik Fortschritte bei der Reformierung der weitgehenden Blackbox-Natur von LCS-Kalibrierungen erzielt.
Nach der Einführung einer transparenten und zuverlässigen Kalibrierungsmethode wurden die LCS zwischen 2017 und 2020 an verschiedenen Straßen eingesetzt. Unter Ver-wendung von zwei Arten von LCS, Metalloxid (MOS) und elektrochemisch (EC), wurde ihre Leistung bei der Erfassung der erwarteten Muster der NO2- und O3-Belastung in Städten bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die kalibrierten Konzentrationen der MOS- und EC-Sensoren mit den allgemeinen Tagesmustern der NO2- und O3-Belastung überein-stimmten, die mit Referenzgeräten gemessen wurden. Während sich MOS als unzuverlässig erwies, wenn es darum ging, Unterschiede zwischen den gemessenen Orten inner-halb der städtischen Umgebung zu erkennen, entsprachen die mit kalibrierten EC-Sensoren gemessenen Konzentrationen den Erwartungen aus Modellierungsstudien zur Verteilung der NO2- und O3-Belastung in Straßenschluchten. Daraus wurde der Schluss gezogen, dass LCS für die Messung der Luftqualität in Städten geeignet sind, auch zur Unterstützung der Entwicklung von Luftverschmutzungsmodellen auf städtischer Ebene, und dass sie neue Erkenntnisse über die Luftverschmutzung in städtischen Umgebungen liefern können.
Um das letzte Ziel dieser Arbeit zu erreichen, wurden zwei Messkampagnen im Zusammenhang mit der Umsetzung von drei verkehrspolitischen Maßnahmen in Berlin durchgeführt. Bei der ersten handelte es sich um den Bau einer Pop-up-Radweg auf dem Kottbusser Damm als Reaktion auf die COVID-19-Pandemie, bei der zweiten um die vorübergehende Einrichtung eines Gemeinschaftsraums in der Böckhstraße und bei der letzten um die Sperrung eines Teils der Friedrichstraße für den gesamten motorisierten Verkehr. In allen Fällen wurden NO2-Messungen vor und nach der Durchführung der Maßnahme durchgeführt, um die Veränderungen der Luftqualität infolge dieser Maßnahmen zu bewerten. Die Ergebnisse des Experiments am Kottbusser Damm zeigten, dass die NO2-Konzentrationen, denen die Radfahrer ausgesetzt waren, durch den Radweg um 22 ± 19 % gesenkt wurden. In der Friedrichstraße sank die NO2-Konzentration durch die Straßensperrung auf das Niveau des städtischen Hintergrunds, ohne dass sich die Luft-qualität in den Seitenstraßen verschlechterte. Diese wertvollen Ergebnisse wurden den verantwortlichen Ansprechpersonen in der Stadtverwaltung, die für die Bewertung des Erfolgs und der Zukunft der Maßnahmen verantwortlich sind, schnell mitgeteilt, was die Fähigkeit von LCS unterstreicht, politisch relevante Ergebnisse zu liefern.
Da es sich um eine neue Technologie handelt, muss noch viel über LCS und ihren Wert für die akademische Forschung im Bereich der Atmosphärenwissenschaften gelernt werden. Dennoch hat diese Arbeit den Stand der Technik in mehrfacher Hinsicht verbessert. Erstens wurde eine neuartige Open-Source-Kalibrierungsmethode entwickelt, die von LCS-Anwender*innen für verschiedene Luftschadstoffe verwendet werden kann. Zweitens wurde die Beweisgrundlage für die Zuverlässigkeit von LCS zur Messung der Luftqualität in Städten gestärkt, indem durch neuartige Einsätze in Straßenschluchten festgestellt wurde, dass LCS mit hoher räumlicher Auflösung zum Verständnis der Dynamik der Luftverschmutzung auf kleinräumlicher Ebene eingesetzt werden kann. Schließlich ist es die erste Studie dieser Art, die LCS-Messungen direkt mit verkehrspolitischen Maßnahmen verknüpft, um deren Einfluss auf die lokale Luftqualität zu verstehen, was zu politisch relevanten Erkenntnissen führt, die für Entscheidungsträger*innen wertvoll sind. Die Studie ist ein Beispiel für das Potenzial von LCS, unser Verständnis von Luftverschmutzung in verschiedenen Maßstäben zu erweitern, sowie für ihre Fähigkeit, als wert-volle Werkzeuge in der transdisziplinären Forschung zu dienen.
T2  - Verwendung kostengünstiger Sensoren zur Erfassung hochauflösender Messungen der Luftqualität in städtischen Umgebungen und zur Information über die Mobilitätspolitik
KW  - air pollution
KW  - urban
KW  - low-cost sensor
KW  - transdisciplinary
KW  - sustainability
KW  - mobility
KW  - policy
KW  - Luftverschmutzung
KW  - Mobilität
KW  - Politik
KW  - Nachhaltigkeit
KW  - Transdisziplinarität
KW  - Städte
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-601053
ER  - 
TY  - THES
A1  - Behm, Laura Vera Johanna
T1  - Thermoresponsive Zellkultursubstrate für zeitlich-räumlich gesteuertes Auswachsen neuronaler Zellen
T1  - Thermoresponsive cell culture substrates for spatio-temporal controlled outgrowth of neuronal cells
N2  - Ein wichtiges Ziel der Neurowissenschaften ist das Verständnis der komplexen und zugleich faszinierenden, hochgeordneten Vernetzung der Neurone im Gehirn, welche neuronalen Prozessen, wie zum Beispiel dem Wahrnehmen oder Lernen wie auch Neuropathologien zu Grunde liegt. Für verbesserte neuronale Zellkulturmodelle zur detaillierten Untersuchung dieser Prozesse ist daher die Rekonstruktion von geordneten neuronalen Verbindungen dringend erforderlich. Mit Oberflächenstrukturen aus zellattraktiven und zellabweisenden Beschichtungen können neuronale Zellen und ihre Neuriten in vitro strukturiert werden. Zur Kontrolle der neuronalen Verbindungsrichtung muss das Auswachsen der Axone zu benachbarten Zellen dynamisch gesteuert werden, zum Beispiel über eine veränderliche Zugänglichkeit der Oberfläche. 
In dieser Arbeit wurde untersucht, ob mit thermoresponsiven Polymeren (TRP) beschichtete Zellkultursubstrate für eine dynamische Kontrolle des Auswachsens neuronaler Zellen geeignet sind. TRP können über die Temperatur von einem zellabweisenden in einen zellattraktiven Zustand geschaltet werden, womit die Zugänglichkeit der Oberfläche für Zellen dynamisch gesteuert werden kann. Die TRP-Beschichtung wurde mikrostrukturiert, um einzelne oder wenige neuronale Zellen zunächst auf der Oberfläche anzuordnen und das Auswachsen der Zellen und Neuriten über definierte TRP-Bereiche in Abhängigkeit der Temperatur zeitlich und räumlich zu kontrollieren. Das Protokoll wurde mit der neuronalen Zelllinie SH-SY5Y etabliert und auf humane induzierte Neurone übertragen. Die Anordnung der Zellen konnte bei Kultivierung im zellabweisenden Zustand des TRPs für bis zu 7 Tage aufrecht erhalten werden. Durch Schalten des TRPs in den zellattraktiven Zustand konnte das Auswachsen der Neuriten und Zellen zeitlich und räumlich induziert werden. Immunozytochemische Färbungen und Patch-Clamp-Ableitungen der Neurone demonstrierten die einfache Anwendbarkeit und Zellkompatibilität der TRP-Substrate. 
Eine präzisere räumliche Kontrolle des Auswachsens der Zellen sollte durch lokales Schalten der TRP-Beschichtung erreicht werden. Dafür wurden Mikroheizchips mit Mikroelektroden zur lokalen Jouleschen Erwärmung der Substratoberfläche entwickelt. Zur Evaluierung der generierten Temperaturprofile wurde eine Temperaturmessmethode entwickelt und die erhobenen Messwerte mit numerisch simulierten Werten abgeglichen. Die Temperaturmessmethode basiert auf einfach zu applizierenden Sol-Gel-Schichten, die den temperatursensitiven Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B enthalten. Sie ermöglicht oberflächennahe Temperaturmessungen in trockener und wässriger Umgebung mit hoher Orts- und Temperaturauflösung. Numerische Simulationen der Temperaturprofile korrelierten gut mit den experimentellen Daten. Auf dieser Basis konnten Geometrie und Material der Mikroelektroden hinsichtlich einer lokal stark begrenzten Temperierung optimiert werden. Ferner wurden für die Kultvierung der Zellen auf den Mikroheizchips eine Zellkulturkammer und Kontaktboard für die elektrische Kontaktierung der Mikroelektroden geschaffen. 
Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren erstmalig das enorme Potential thermoresponsiver Zellkultursubstrate für die zeitlich und räumlich gesteuerte Formation geordneter neuronaler Verbindungen in vitro. Zukünftig könnte dies detaillierte Studien zur neuronalen Informationsverarbeitung oder zu Neuropathologien an relevanten, humanen Zellmodellen ermöglichen.
N2  - An important goal of neurosciences is to understand the fascinating, complex and highly ordered neuronal circuits of the brain that are underlying important neuronal processes such as learning and memory, as well as neuropathologies. For detailed studies of these processes improved neuronal cell culture models that allow a reconstruction of ordered neuronal connections are crucial. Neuronal cells can be patterned in vitro with structured surface coatings of cell repellent and cell attractive substances. For controlling also the direction of neuronal cell connections the outgrowth of the axons towards neighbouring cells needs to be dynamically controlled, which can be achieved for example by surface structures that can be changed due to switchable surface properties. 
The main goal of this work was to explore if cell culture substrates with coatings of thermoresponsive polymer (TRP) are suitable for dynamically controlling the outgrowth of neuronal cells. TRPs can be switched via temperature between a cell repellent and a cell attractive state, which enables a dynamic change of surface properties. The TRP coating was microstructured in order to pattern neuronal cells and to spatio-temporally control the outgrowth of cells and neurites across defined TRP-coated areas in dependence of the temperature. The protocol was established with the neuronal cell line SH-SY5Y and transferred to human induced neuronal cells. The cell patterns could be maintained for up to 7 days of cultivation when the TRP was kept in the cell repellent state. By switching the TRP to the cell attractive state the outgrowth of neurites and cells was induced at defined time points and areas. Immunocytochemical staining and patch-clamp recordings of the neurons demonstrated the cell compatibility and easy applicability of these TRP-substrates. 
A more precise spatial control of the outgrowth of cells should be further achieved by local switching of the TRP-coating. Therefore, microheaters comprising microelectrodes were developed for locally heating the substrate surface. For evaluation of the generated temperature profiles a thermometry method was developed and the values obtained were correlated with numerically simulated data. The thermometry method is based on easily applicable sol-gel-films containing the temperature-sensitive fluorophore Rhodamine B. It allows temperature measurements close to the surface under both dry and liquid conditions with high resolution regarding space (lower µm-range) and temperature (≤ 1°C). Numerical simulations of the temperature profiles correlated well with experimental data. On this basis geometry and material of the microelectrodes were optimized with regard to locally restricted temperature changes. Furthermore, a chip environment for cultivating the cells on the microheater chips was developed comprising a cell culture chamber and a contact board for electrically contacting the microelectrodes. 
The results presented in this work demonstrate for the first time the great potential of thermoresponsive cell culture substrates for a spatio-temporally controlled formation of neuronal connections in vitro. In future this could facilitate detailed studies of information processing in neuronal networks or of neuropathologies using relevant human neuronal cell models.
KW  - neuronale Netzwerke
KW  - Mikrostrukturierung
KW  - Neuritenwachstum
KW  - thermoresponsive Polymere
KW  - Lab-on-a-chip
KW  - Rhodamin B
KW  - Thermometrie
KW  - Mikroheizung
KW  - Oberflächentemperatur
KW  - Sol-Gel
KW  - Zelladhäsionskontrolle
KW  - neuronal networks
KW  - microstructures
KW  - neurite outgrowth
KW  - thermoresponsive polymers
KW  - lab-on-a-chip
KW  - Rhodamine B
KW  - thermometry
KW  - microheating
KW  - surface temperature
KW  - sol-gel
KW  - cell adhesion control
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-436196
ER  - 
TY  - THES
A1  - Paganini, Claudio Francesco
T1  - The role of trapping in black hole spacetimes
T1  - Über die Rolle gefangener lichtartiger Kurven in Raumzeiten mit Schwarzen Löchern
N2  - In the here presented work we discuss a series of results that are all in one way or another connected to the phenomenon of trapping in black hole spacetimes.
First we present a comprehensive review of the Kerr-Newman-Taub-NUT-de-Sitter family of black hole spacetimes and their most important properties. From there we go into a detailed analysis of the bahaviour of null geodesics in the exterior region of a sub-extremal Kerr spacetime. We show that most well known fundamental properties of null geodesics can be represented in one plot. In particular, one can see immediately that the ergoregion and trapping are separated in phase space.
We then consider the sets of future/past trapped null geodesics in the exterior region of a sub-extremal Kerr-Newman-Taub-NUT spacetime. We show that from the point of view of any timelike observer outside of such a black hole, trapping can be understood as two smooth sets of spacelike directions on the celestial sphere of the observer. Therefore the topological structure of the trapped set on the celestial sphere of any observer is identical to that in Schwarzschild.
We discuss how this is relevant to the black hole stability problem.

In a further development of these observations we introduce the notion of what it means for the shadow of two observers to be degenerate.  We show that, away from the axis of symmetry, no continuous degeneration exists between the shadows of observers at any point in the exterior region of any Kerr-Newman black hole spacetime of unit mass. Therefore, except possibly for discrete changes, an observer can, by measuring the black holes shadow, determine the angular momentum and the charge of the black hole under observation, as well as the observer's radial position and angle of elevation above the equatorial plane. Furthermore, his/her relative velocity compared to a standard observer can also be measured. On the other hand, the black hole shadow does not allow for a full parameter resolution in the case of a Kerr-Newman-Taub-NUT black hole, as a continuous degeneration relating specific angular momentum, electric charge, NUT charge and elevation angle exists in this case.
We then use the celestial sphere to show that trapping is a generic feature of any black hole spacetime.

In the last chapter we then prove a generalization of the mode stability result of Whiting (1989) for the Teukolsky equation for the case of real frequencies. The main result of the last chapter states that a separated solution of the Teukolsky equation governing massless test fields on the Kerr spacetime, which is purely outgoing at infinity, and purely ingoing at the horizon, must vanish. This has the consequence, that for real frequencies, there are linearly independent fundamental solutions of the radial Teukolsky equation which are purely ingoing at the horizon, and purely outgoing at infinity, respectively. This fact yields a representation formula for solutions of the inhomogenous Teukolsky equation, and was recently used by Shlapentokh-Rothman (2015) for the scalar wave equation.
N2  - In Newtons Gravitationstheorie bewegt sich Licht auf geraden Linien durch den Raum. Entsprechend beeinflussen Massen den Verlauf von Lichtstrahlen nicht. In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie führt die Präsenz von Massen dazu, dass sich die Raumzeit, sprich das Koordinatensystem für alle physikalischen Vorgänge, verkrümmt. Da das Licht immer den kürzesten Weg nimmt, wird es nun auch abgelenkt wenn es nahe an einem Körper mit grosser Masse vorbeikommt. Der Nachweis der Lichtablenkung durch die Masse der Sonne bei einer Sonnenfinsternis durch Eddington 1919 war der erste direkte Nachweis, dass Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie richtig liegt. 
Eine der erstaunlichsten Vorhersagen aus Einsteins Relativitätstheorie ist die Existenz von Schwarzen Löchern. Es wird gemeinhin angenommen, dass Schwarzen Löcher die dichtesten Objekte sind, welche im Universum existieren können. Ein Schwarzes Loch ist eine Raumzeit, die so stark verkrümmt ist, dass ein Bereich existiert aus welchem nicht einmal mehr Licht entfliehen kann. Die Grenze dieses Bereiches bezeichnet man als Ereignishorizont. Beobachter, welche den Ereignishorizont überqueren, können danach nicht mehr mit Beobachtern ausserhalb kommunizieren. 
Die Krümmung der Raumzeit in der Nähe des Ereignishorizontes ist so stark, dass sehr gewisse Lichtstrahlen, ähnlich der Planeten im Sonnensystem, auf Kreisbahnen bewegen. Das heisst, dass das Licht weder ins Schwarze Loch fällt, noch ins unendliche davon läuft. Die Bahn solcher Lichtstrahlen bezeichnet man als gefangene lichtartige Kurven. Solche Kurven existieren nur in einem beschränkten Bereich in der Nähe des Ereignishorizontes. Allerdings ist es an jedem Ort der Raumzeit möglich, lichtartige Kurven durch diesen Punkt zu finden, welche sich in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve beliebig annähern und weder ins Schwarze Loch fallen noch ins unendliche davon laufen. 
Die Gesamtheit aller möglichen Lichtstrahlen durch einen Punkt kann durch eine Kugel, der Himmelssphäre des Beobachters, bestehend aus allen möglichen Raumrichtungen beschrieben werden. In unserer Arbeit zeigen wir, dass die Strahlen, welche sich in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve annähern, die Himmelssphäre in zwei Bereiche unterteilt. Der eine Teil besteht aus jenen Richtungen, in welche der Lichtstrahl im Schwarzen Loch endet, der andere Teil aus jenen Richtungen in welche der Lichtstrahl ins unendliche davon läuft.  Die Richtungen in welcher sich die Lichtstrahlen in der Zukunft einer gefangenen lichtartigen Kurve annähern bilden eine geschlossene Kurve auf der Himmelssphäre. Diese Kurve, zusammen mit den Richtungen unter welchen das Licht im Schwarzen Loch endet, bilden den Schatten des Schwarzen Loches auf der Himmelssphäre des Beobachters. Wir konnten zeigen, dass die Form dieses Schattens Rückschlüsse auf die physikalischen Parameter, wie Ladung und Drehmoment des Schwarzen Loches, sowie die Distanz zwischen Beobachter und Schwarzem Loch zulässt. 
Ausserdem haben wir gezeigt, dass für masselose Felder (Skalarfelder, elektromagnetische Felder, linearisierte Gravitation) auf Raumzeiten mit einem rotierenden Schwarzen Loch, die sogenannte Modenstabillität gilt. Modenlösungen für partielle Differentialgleichungen sind Lösungen, welche ein Produkt von Lösungen in einzelner Koordinatenrichtungen sind. Modenstäbilität bedeutet nun, dass es zu diesen Feldgleichungen, auf diesen Raumzeiten keine Modenlösungen mit realen Frequenzen gibt, welche nur Energie aus der Raumzeit hinaustragen.
KW  - black hole
KW  - trapping
KW  - black hole shadows
KW  - Teukolsky master equation
KW  - mode stability
KW  - Schwarzes Loch
KW  - gefangene lichtartige Kurven
KW  - Schatten eines Schwarzen Lochs
KW  - Teukolsky Gleichung
KW  - Moden Stabilität
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-414686
ER  -