TY - THES A1 - Theves, Matthias T1 - Bacterial motility and growth in open and confined environments T1 - Bacterial motility and growth in open and confined environments N2 - In the presence of a solid-liquid or liquid-air interface, bacteria can choose between a planktonic and a sessile lifestyle. Depending on environmental conditions, cells swimming in close proximity to the interface can irreversibly attach to the surface and grow into three-dimensional aggregates where the majority of cells is sessile and embedded in an extracellular polymer matrix (biofilm). We used microfluidic tools and time lapse microscopy to perform experiments with the polarly flagellated soil bacterium Pseudomonas putida (P. putida), a bacterial species that is able to form biofilms. We analyzed individual trajectories of swimming cells, both in the bulk fluid and in close proximity to a glass-liquid interface. Additionally, surface related growth during the early phase of biofilm formation was investigated. In the bulk fluid, P.putida shows a typical bacterial swimming pattern of alternating periods of persistent displacement along a line (runs) and fast reorientation events (turns) and cells swim with an average speed around 24 micrometer per second. We found that the distribution of turning angles is bimodal with a dominating peak around 180 degrees. In approximately six out of ten turning events, the cell reverses its swimming direction. In addition, our analysis revealed that upon a reversal, the cell systematically changes its swimming speed by a factor of two on average. Based on the experimentally observed values of mean runtime and rotational diffusion, we presented a model to describe the spreading of a population of cells by a run-reverse random walker with alternating speeds. We successfully recover the mean square displacement and, by an extended version of the model, also the negative dip in the directional autocorrelation function as observed in the experiments. The analytical solution of the model demonstrates that alternating speeds enhance a cells ability to explore its environment as compared to a bacterium moving at a constant intermediate speed. As compared to the bulk fluid, for cells swimming near a solid boundary we observed an increase in swimming speed at distances below d= 5 micrometer and an increase in average angular velocity at distances below d= 4 micrometer. While the average speed was maximal with an increase around 15% at a distance of d= 3 micrometer, the angular velocity was highest in closest proximity to the boundary at d=1 micrometer with an increase around 90% as compared to the bulk fluid. To investigate the swimming behavior in a confinement between two solid boundaries, we developed an experimental setup to acquire three-dimensional trajectories using a piezo driven objective mount coupled to a high speed camera. Results on speed and angular velocity were consistent with motility statistics in the presence of a single boundary. Additionally, an analysis of the probability density revealed that a majority of cells accumulated near the upper and lower boundaries of the microchannel. The increase in angular velocity is consistent with previous studies, where bacteria near a solid boundary were shown to swim on circular trajectories, an effect which can be attributed to a wall induced torque. The increase in speed at a distance of several times the size of the cell body, however, cannot be explained by existing theories which either consider the drag increase on cell body and flagellum near a boundary (resistive force theory) or model the swimming microorganism by a multipole expansion to account for the flow field interaction between cell and boundary. An accumulation of swimming bacteria near solid boundaries has been observed in similar experiments. Our results confirm that collisions with the surface play an important role and hydrodynamic interactions alone cannot explain the steady-state accumulation of cells near the channel walls. Furthermore, we monitored the number growth of cells in the microchannel under medium rich conditions. We observed that, after a lag time, initially isolated cells at the surface started to grow by division into colonies of increasing size, while coexisting with a comparable smaller number of swimming cells. After 5:50 hours, we observed a sudden jump in the number of swimming cells, which was accompanied by a breakup of bigger clusters on the surface. After approximately 30 minutes where planktonic cells dominated in the microchannel, individual swimming cells reattached to the surface. We interpret this process as an emigration and recolonization event. A number of complementary experiments were performed to investigate the influence of collective effects or a depletion of the growth medium on the transition. Similar to earlier observations on another bacterium from the same family we found that the release of cells to the swimming phase is most likely the result of an individual adaption process, where syntheses of proteins for flagellar motility are upregulated after a number of division cycles at the surface. N2 - Bakterien sind einzellige Mikroorganismen, die sich in flüssigem Medium mit Hilfe von rotierenden Flagellen, länglichen Fasern aus Proteinen, schwimmend fortbewegen. In Gegenwart einer Grenzfläche und unter günstigen Umweltbedingungen siedeln sich Bakterien an der Oberfläche an und gehen in eine sesshafte Wachstumsphase über. Die Wachstumsphase an der Oberfläche ist gekennzeichnet durch das Absondern von klebrigen, nährstoffreichen extrazellulären Substanzen, welche die Verbindung der Bakterien untereinander und mit der Oberfläche verstärken. Die entstehenden Aggregate aus extrazellulärer Matrix und Bakterien werden als Biofilm bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir ein Bodenbakterium, Pseudomonas putida (P. putida), welches in wässriger Umgebung an festen Oberflächen Biofilme ausbildet. Wir benutzten photolithographisch hergestellte Mikrokanäle und Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie um die Bewegung schwimmender Zellen in verschiedenen Abständen zu einer Glasoberfläche aufzunehmen. Zusätzlich wurden Daten über das parallel stattfindende Wachstum der sesshaften Zellen an der Oberfläche aufgezeichnet. Die Analyse von Trajektorien frei schwimmender Zellen zeigte, dass sich Liniensegmente, entlang derer sich die Zellen in eine konstante Richtung bewegen, mit scharfen Kehrtwendungen mit einem Winkel von 180 Grad abwechseln. Dabei änderte sich die Schwimmgeschwindigket von einem zum nächsten Segment im Mittel um einen Faktor von 2. Unsere experimentellen Daten waren die Grundlage für ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Zellbewegung mit alternierender Geschwindigkeit. Die analytische Lösung des Modells zeigt elegant, dass eine Population von Bakterien, welche zwischen zwei Geschwindigkeiten wechseln, signifikant schneller expandiert als eine Referenzpopulation mit Bakterien konstanter Schwimmgeschwindkeit. Im Vergleich zu frei schwimmenden Bakterien beobachteten wir in der Nähe der Oberfläche eine um 15% erhöhte Schwimmgeschwindigkeit der Zellen und eine um 90 % erhöhte Winkel-geschwindigkeit. Außerdem wurde eine signifikant höhere Zelldichte in der Nähe der Grenzfläche gemessen. Während sich der Anstieg in der Winkelgeschwindigkeit durch ein Drehmoment erklären lässt, welches in Oberflächennähe auf den rotierenden Zellkörper und die rotierenden Flagellen wirkt, kann die Beschleunigung und Akkumulation der Zellen bei dem beobachteten Abstand nicht durch existierende Theorien erklärt werden. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass neben hydrodynamischen Effekten auch Kollisionen mit der Oberfläche eine wichtige Rolle spielen und sich die Rotationsgeschwindigkeit der Flagellenmotoren in der Nähe einer festen Oberfläche grundsätzlich verändert. Unsere Experimente zum Zellwachstum an Oberflächen zeigten, dass sich etwa sechs Stunden nach Beginn des Experiments größere Kolonien an der Kanaloberfläche auflösen und Zellen für ca. 30 Minuten zurück in die schwimmende Phase wechseln. Ergebnisse von mehreren Vergleichsexperimenten deuten darauf hin, dass dieser Übergang nach einer festen Anzahl von Zellteilungen an der Oberfläche erfolgt und nicht durch den Verbrauch des Wachstumsmediums bedingt wird. KW - Pseudomonas putida KW - Motilität KW - Flagellenbewegung KW - Random-Walk-Theorie KW - Schwimmende Mikroorganismen KW - pseudomonas putida KW - motility KW - flagellar filaments KW - random walk KW - cell tracking Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70313 ER - TY - THES A1 - Prokhorov, Boris E. T1 - High-latitude coupling processes between thermospheric circulation and solar wind driven magnetospheric currents and plasma convection T1 - Kopplungsprozesse zwischen der thermosphärischen Zirkulation in hohen Breiten und den vom Sonnenwind getriebenen magnetosphärischen Strömen und der Plasmakonvektion N2 - The high-latitudinal thermospheric processes driven by the solar wind and Interplanetary Magnetic Field (IMF) interaction with the Earth magnetosphere are highly variable parts of the complex dynamic plasma environment, which represent the coupled Magnetosphere – Ionosphere – Thermosphere (MIT) system. The solar wind and IMF interactions transfer energy to the MIT system via reconnection processes at the magnetopause. The Field Aligned Currents (FACs) constitute the energetic links between the magnetosphere and the Earth ionosphere. The MIT system depends on the highly variable solar wind conditions, in particular on changes of the strength and orientation of the IMF. In my thesis, I perform an investigation on the physical background of the complex MIT system using the global physical - numerical, three-dimensional, time-dependent and self-consistent Upper Atmosphere Model (UAM). This model describes the thermosphere, ionosphere, plasmasphere and inner magnetosphere as well as the electrodynamics of the coupled MIT system for the altitudinal range from 80 (60) km up to the 15 Earth radii. In the present study, I developed and investigated several variants of the high-latitudinal electrodynamic coupling by including the IMF dependence of FACs into the UAM model. For testing, the various variants were applied to simulations of the coupled MIT system for different seasons, geomagnetic activities, various solar wind and IMF conditions. Additionally, these variants of the theoretical model with the IMF dependence were compared with global empirical models. The modelling results for the most important thermospheric parameters like neutral wind and mass density were compared with satellite measurements. The variants of the UAM model with IMF dependence show a good agreement with the satellite observations. In comparison with the empirical models, the improved variants of the UAM model reproduce a more realistic meso-scale structures and dynamics of the coupled MIT system than the empirical models, in particular at high latitudes. The new configurations of the UAM model with IMF dependence contribute to the improvement of space weather prediction. N2 - Die thermosphärischen Prozesse in hohen Breiten, die durch die Wechselwirkung des Sonnenwinds und des Interplanetaren Magnetfeldes (IMF) mit der Erdmagnetosphäre getrieben werden, stellen sich als stark veränderliches Geschehen in der komplexen dynamischen Plasmaumgebung der Erde dar, die das gekoppelte System der Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre (MIT) umfaßt. Die Einflüsse des Sonnenwindes und des IMF zeigen sich als Energieübertragung in das MIT System mittels Rekonnektionsprozessen an der Magnetopause. Feldliniengerichtete Ströme (FACs) repräsentieren die energetische Kopplung zwischen der Magnetosphäre und der Ionosphäre der Erde. Das MIT System wird bestimmt durch die stark veränderlichen Sonnenwindbedingungen, insbesondere von der Stärke und Richtung des IMF. In meiner Promotionsschrift untersuche ich die physikalischen Bedingungen des komplexen MIT System mit Hilfe eines globalen physikalisch-numerischen, dreidimensionalen, zeitabhängigen und selbstkonsistenten Modells, dem Upper Atmosphere Model (UAM). Das UAM beschreibt das Verhalten der Thermosphäre, Ionosphäre, Plasmasphäre und der inneren Magnetosphäre in einem Höhenbereich zwischen 80 (60) km und 15 Erdradien sowie die elektrodynamische Verkopplung des gesamten MIT Systems. In der vorliegenden Arbeit habe ich mehrere Varianten der elektrodynamischen Kopplung in hohen Breiten entwickelt und analysiert, die die FACs innerhalb des UAM in ihrer Abhängigkeit vom IMF darstellen. Für Testzwecke wurden diese Varianten auf eine Reihe von numerischen Simulationen des gekoppelten MIT Systems unter verschiedenen Bedingungen hinsichtlich Jahreszeit, geomagnetischer Aktivität, Sonnenwind- und IMF-Parametern angewandt. Darüberhinaus wurden diese Varianten des IMF-abhängigen theoretischen Modells entsprechenden globalen empirischen Modellen gegenübergestellt. Modellergebnisse wurden außerdem mit einigen wichtigen von Satelliten gemessenen Thermosphärenparametern, wie dem Neutralwind und der Massendichte verglichen. Die UAM Modelvarianten mit IMF-Abhängigkeit zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Satellitenbeobachtungen. Im Vergleich mit empirischen Modellaussagen geben die UAM Modellvarianten ein genaueres Bild der mesoskaligen Strukturen und der Dynamik des gekoppelten MIT Systems wieder, insbesondere für die hohen Breiten. Die neuen UAM Konfigurationen mit IMF-Abhängigkeit tragen damit zu verbesserten Möglichkeiten in der Weltraumwettervorhersage bei. KW - upper atmosphere model KW - high-latitudinal thermosphere KW - magnetosphere-ionosphere-thermosphere coupling KW - solar wind and interplanetary magnetic field influence KW - field aligned currents KW - Upper Atmosphere Model (UAM) KW - Thermosphäre hoher Breiten KW - Kopplung zwischen Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre KW - Einfluß des Sonnenwindes und des interplanetaren magnetischen Feldes KW - feldlinengerichtete Ströme Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-92353 ER - TY - THES A1 - Breuer, David T1 - The plant cytoskeleton as a transportation network T1 - Modellierung des pflanzliche Zytoskeletts als Transportnetzwerk N2 - The cytoskeleton is an essential component of living cells. It is composed of different types of protein filaments that form complex, dynamically rearranging, and interconnected networks. The cytoskeleton serves a multitude of cellular functions which further depend on the cell context. In animal cells, the cytoskeleton prominently shapes the cell's mechanical properties and movement. In plant cells, in contrast, the presence of a rigid cell wall as well as their larger sizes highlight the role of the cytoskeleton in long-distance intracellular transport. As it provides the basis for cell growth and biomass production, cytoskeletal transport in plant cells is of direct environmental and economical relevance. However, while knowledge about the molecular details of the cytoskeletal transport is growing rapidly, the organizational principles that shape these processes on a whole-cell level remain elusive. This thesis is devoted to the following question: How does the complex architecture of the plant cytoskeleton relate to its transport functionality? The answer requires a systems level perspective of plant cytoskeletal structure and transport. To this end, I combined state-of-the-art confocal microscopy, quantitative digital image analysis, and mathematically powerful, intuitively accessible graph-theoretical approaches. This thesis summarizes five of my publications that shed light on the plant cytoskeleton as a transportation network: (1) I developed network-based frameworks for accurate, automated quantification of cytoskeletal structures, applicable in, e.g., genetic or chemical screens; (2) I showed that the actin cytoskeleton displays properties of efficient transport networks, hinting at its biological design principles; (3) Using multi-objective optimization, I demonstrated that different plant cell types sustain cytoskeletal networks with cell-type specific and near-optimal organization; (4) By investigating actual transport of organelles through the cell, I showed that properties of the actin cytoskeleton are predictive of organelle flow and provided quantitative evidence for a coordination of transport at a cellular level; (5) I devised a robust, optimization-based method to identify individual cytoskeletal filaments from a given network representation, allowing the investigation of single filament properties in the network context. The developed methods were made publicly available as open-source software tools. Altogether, my findings and proposed frameworks provide quantitative, system-level insights into intracellular transport in living cells. Despite my focus on the plant cytoskeleton, the established combination of experimental and theoretical approaches is readily applicable to different organisms. Despite the necessity of detailed molecular studies, only a complementary, systemic perspective, as presented here, enables both understanding of cytoskeletal function in its evolutionary context as well as its future technological control and utilization. N2 - Das Zytoskelett ist ein notwendiger Bestandteil lebender Zellen. Es besteht aus verschiedenen Arten von Proteinfilamenten, die ihrerseits komplexe, sich dynamisch reorganisierende und miteinander verknüpfte Netzwerke bilden. Das Zytoskelett erfüllt eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle. In Tierzellen bestimmt das Aktin-Zytoskelett maßgeblich die mechanischen Zelleigenschaften und die Zellbewegung. In Pflanzenzellen hingegen kommt dem Aktin-Zytoskelett eine besondere Bedeutung in intrazellulären Transportprozessen zu, bedingt insbesondere durch die starre pflanzliche Zellwand sowie die Zellgröße. Als wesentlicher Faktor für Zellwachstum und somit auch die Produktion von Biomasse, ist Zytoskelett-basierter Transport daher von unmittelbarer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Während das Wissen über die molekularen Grundlagen Zytoskelett-basierter Transportprozesse beständig wächst, sind die zugrunde liegenden Prinzipien zellweiter Organisation bisher weitgehend unbekannt. Diese Dissertation widmet sich daher folgender Frage: Wie hängt die komplexe Architektur des pflanzlichen Zytoskeletts mit seiner intrazellulären Transportfunktion zusammen? Eine Antwort auf diese Frage erfordert eine systemische Perspektive auf Zytoskelettstruktur und -transport. Zu diesem Zweck habe ich Mikroskopiedaten mit hoher raumzeitlicher Auflösung sowie Computer-gestützte Bildanalysen und mathematische Ansätzen der Graphen- und Netzwerktheorie kombiniert. Die vorliegende Dissertation umfasst fünf meiner Publikationen, die sich einem systemischen Verständnis des pflanzlichen Zytoskeletts als Transportnetzwerk widmen: (1) Dafür habe ich Bilddaten-basierte Netzwerkmodelle entwickelt, die eine exakte und automatisierte Quantifizierung der Architektur des Zytoskeletts ermöglichen. Diese Quantifizierung kann beispielsweise in genetischen oder chemischen Versuchen genutzt werden und für eine weitere Erforschung der genetischen Grundlagen und möglicher molekularer Interaktionspartner des Zytoskeletts hilfreich sein; (2) Ich habe nachgewiesen, dass das pflanzliche Aktin-Zytoskelett Eigenschaften effizienter Transportnetzwerk aufweist und Hinweise auf seine evolutionären Organisationsprinzipien liefert; (3) Durch die mathematische Optimierung von Transportnetzwerken konnte ich zeigen, dass unterschiedliche Pflanzenzelltypen spezifische und optimierte Organisationsstrukturen des Aktin-Zytoskeletts aufweisen; (4) Durch quantitative Analyse des Transports von Organellen in Pflanzenzellen habe ich nachgewiesen, dass sich Transportmuster ausgehend von der Struktur des Aktin-Zytoskeletts vorhersagen lassen. Dabei spielen sowohl die Organisation des Zytoskeletts auf Zellebene als auch seine Geometrie eine zentrale Rolle. (5) Schließlich habe ich eine robuste, optimierungs-basierte Methode entwickelt, die es erlaubt, individuelle Filamente eines Aktin-Netzwerks zu identifizieren. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften einzelner Zytoskelettfilamente im zellulären Kontext zu untersuchen. Die im Zuge dieser Dissertation entwickelten Methoden wurden frei und quelloffen als Werkzeuge zur Beantwortung verwandter Fragestellung zugänglich gemacht. Insgesamt liefern die hier präsentierten Ergebnisse und entwickelten Methoden quantitative, systemische Einsichten in die Transportfunktion des Zytoskeletts. Die hier etablierte Kombination von experimentellen und theoretischen Ansätzen kann, trotz des Fokusses auf das pflanzliche Zytoskelett, direkt auf andere Organismen angewendet werden. Als Ergänzung molekularer Studien bildet ein systemischer Blickwinkel, wie er hier entwickelt wurde, die Grundlage für ein Verständnis sowohl des evolutionären Kontextes als auch zukünftiger Kontroll- und Nutzungsmöglichkeiten des pflanzlichen Zytoskeletts. KW - systems biology KW - mathematical modeling KW - cytoskeleton KW - plant science KW - graph theory KW - image analysis KW - Systembiologie KW - mathematische Modellierung KW - Zytoskelett KW - Zellbiologie KW - Graphtheorie KW - Bildanalyse Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93583 ER - TY - THES A1 - Schröder, Henning T1 - Ultrafast electron dynamics in Fe(CO)5 and Cr(CO)6 T1 - Ultraschnelle Elektronendynamik in Fe(CO)5 und Cr(CO)6 N2 - In this thesis, the two prototype catalysts Fe(CO)₅ and Cr(CO)₆ are investigated with time-resolved photoelectron spectroscopy at a high harmonic setup. In both of these metal carbonyls, a UV photon can induce the dissociation of one or more ligands of the complex. The mechanism of the dissociation has been debated over the last decades. The electronic dynamics of the first dissociation occur on the femtosecond timescale. For the experiment, an existing high harmonic setup was moved to a new location, was extended, and characterized. The modified setup can induce dynamics in gas phase samples with photon energies of 1.55eV, 3.10eV, and 4.65eV. The valence electronic structure of the samples can be probed with photon energies between 20eV and 40eV. The temporal resolution is 111fs to 262fs, depending on the combination of the two photon energies. The electronically excited intermediates of the two complexes, as well as of the reaction product Fe(CO)₄, could be observed with photoelectron spectroscopy in the gas phase for the first time. However, photoelectron spectroscopy gives access only to the final ionic states. Corresponding calculations to simulate these spectra are still in development. The peak energies and their evolution in time with respect to the initiation pump pulse have been determined, these peaks have been assigned based on literature data. The spectra of the two complexes show clear differences. The dynamics have been interpreted with the assumption that the motion of peaks in the spectra relates to the movement of the wave packet in the multidimensional energy landscape. The results largely confirm existing models for the reaction pathways. In both metal carbonyls, this pathway involves a direct excitation of the wave packet to a metal-to-ligand charge transfer state and the subsequent crossing to a dissociative ligand field state. The coupling of the electronic dynamics to the nuclear dynamics could explain the slower dissociation in Fe(CO)₅ as compared to Cr(CO)₆. N2 - Diese Dissertation handelt von der Untersuchung der zwei Modell-Katalysatoren Fe(CO)₅ und Cr(CO)₆ mittels zeitaufgelöster Photoelektronen Spektroskopie an einem High Harmonic Setup. In beiden Metallcarbonyl kann die Dissoziation von einem, oder mehreren Liganden durch ein UV Photon ausgelöst werden. Der Dissoziation-Mechanismus wurde in den letzten Jahrzehnten diskutiert. Die Abspaltung des ersten Liganden und die damit verbundenen elektronischen Dynamiken finden auf Zeitskalen von Femtosekunden statt. Für die Durchführung dieses Experiments wurde ein bestehender High Harmonic Setup in ein neues Labor verlegt. Der Aufbau wurde erweitert und charakterisiert. Mit dem modifizierten Aufbau können nun Reaktionen in Gas-Phasen-Proben mit Photonenenergien von 1.55eV, 3.10eV und 4.65eV ausgelöst werden. Dabei kann die Valenz-Elektronen-Struktur mit Photonenenergien zwischen 20eV und 40eV untersucht werden. Die Zeitauflösung liegt im Bereich von 111fs bis 262fs und hängt von der Kombination der zwei Photonenenergien ab. Die beiden Komplexe sowie Fe(CO)₄ konnten in der Gas-Phase zum ersten Mal in elektronisch angeregten Zuständen mittels zeitaufgelöster Photoelektronenspektroskopie beobachtet werden. Im Allgemeinen kann jedoch mit der Photoelektronenspektroskopie nur der ionische Endzustand untersucht werden. Modellrechnungen zu den Spektren und die Entwicklung der dazugehörigen Theorie befinden derzeit noch in der Entwicklungsphase. Die Peaks in den Spektren konnten anhand von Literatur zugeordnet werden. Die Spektren der beiden Komplexe unterscheiden sich deutlich. Zu deren Interpretation wurde die Näherung verwendet, dass die Dynamik der Peaks in den Spektren die Bewegung des Wellenpakets in der multidimensionalen Energielandschaft darstellt. Die neuen Daten bestätigen weitestgehend bestehende Modelle für die Reaktionsmechanismen. Der Reaktionsmechanismus verläuft für beide Metallcarbonyle über eine direkte Anregung des Wellenpakets in einen metal-to-ligand charge transfer Zustand. Von dem angeregten Zustand aus kann das Wellenpaket in den dissoziativen ligand field Zustand wechseln. Dass die Reaktion in Fe(CO)₅ langsamer als in Cr(CO)₆ abläuft, kann durch die Kopplung der Dynamiken von Elektronen und Kernen erklärt werden. KW - dissertation KW - Dissertation KW - photo electron spectroscopy KW - physical chemistry KW - molecular dynamics KW - high harmonic generation KW - iron pentacarbonyl KW - chromium hexacarbonyl KW - metal carbonyls KW - ultrafast KW - dynamics KW - Photoelektronen KW - Spektroskopie KW - Moleküldynamik KW - high harmonic KW - Eisenpentacarbonyl KW - Chromhexacarbonyl KW - Photodissoziation KW - photodissociation KW - ligand KW - bond Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94589 ER - TY - THES A1 - Rezanezhad, Vahid T1 - Inversion of the 2004 M6.0 Parkfield Earthquake Coseismic Offsets by Partition Model Y1 - 2016 ER - TY - GEN A1 - Gühr, Markus T1 - Ultrafast Soft X-ray Probing of Gas Phase Molecular Dynamics N2 - The molecular ability to selectively and efficiently convert sunlight into other forms of energy like heat, bond change, or charge separation is truly remarkable. The decisive steps in these transformations often happen on a femtosecond timescale and require transitions among different electronic states that violate the Born-Oppenheimer approximation (BOA). Non-BOA transitions pose challenges to both theory and experiment. From a theoretical point of view, excited state dynamics and nonadiabatic transitions both are difficult problems (see Figure 1(a)). However, the theory on non-BOA dynamics has advanced significantly over the last two decades. Full dynamical simulations for molecules of the size of nucleobases have been possible for a couple of years and allow predictions of experimental observables like photoelectron energy or ion yield. The availability of these calculations for isolated molecules has spurred new experimental efforts to develop methods that are sufficiently different from all optical techniques. For determination of transient molecular structure, femtosecond X-ray diffraction and electron diffraction have been implemented on optically excited molecules. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 268 Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-97215 ER - TY - THES A1 - Dionysopoulou, Kyriaki T1 - General-relativistic magnetohydrodynamics in compact objects BT - a resistive-magnetohydrodynamics approach Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Lukas T1 - Aerosols and boundary layer structure over Arctic sea ice based on airborne lidar and dropsonde measurements T1 - Aerosol und Grenzschichtstruktur über arktischem Meereis anhand von Flugzeuggetragenen Lidar- und Dropsonden- Messungen N2 - The atmosphere over the Arctic Ocean is strongly influenced by the distribution of sea ice and open water. Leads in the sea ice produce strong convective fluxes of sensible and latent heat and release aerosol particles into the atmosphere. They increase the occurrence of clouds and modify the structure and characteristics of the atmospheric boundary layer (ABL) and thereby influence the Arctic climate. In the course of this study aircraft measurements were performed over the western Arctic Ocean as part of the campaign PAMARCMIP 2012 of the Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research (AWI). Backscatter from aerosols and clouds within the lower troposphere and the ABL were measured with the nadir pointing Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) and dropsondes were launched to obtain profiles of meteorological variables. Furthermore, in situ measurements of aerosol properties, meteorological variables and turbulence were part of the campaign. The measurements covered a broad range of atmospheric and sea ice conditions. In this thesis, properties of the ABL over Arctic sea ice with a focus on the influence of open leads are studied based on the data from the PAMARCMIP campaign. The height of the ABL is determined by different methods that are applied to dropsonde and AMALi backscatter profiles. ABL heights are compared for different flights representing different conditions of the atmosphere and of sea ice and open water influence. The different criteria for ABL height that are applied show large variation in terms of agreement among each other, depending on the characteristics of the ABL and its history. It is shown that ABL height determination from lidar backscatter by methods commonly used under mid-latitude conditions is applicable to the Arctic ABL only under certain conditions. Aerosol or clouds within the ABL are needed as a tracer for ABL height detection from backscatter. Hence an aerosol source close to the surface is necessary, that is typically found under the present influence of open water and therefore convective conditions. However it is not always possible to distinguish residual layers from the actual ABL. Stable boundary layers are generally difficult to detect. To illustrate the complexity of the Arctic ABL and processes therein, four case studies are analyzed each of which represents a snapshot of the interplay between atmosphere and underlying sea ice or water surface. Influences of leads and open water on the aerosol and clouds within the ABL are identified and discussed. Leads are observed to cause the formation of fog and cloud layers within the ABL by humidity emission. Furthermore they decrease the stability and increase the height of the ABL and consequently facilitate entrainment of air and aerosol layers from the free troposphere. N2 - Die Verteilung von Meereis und offenem Wasser hat einen starken Einfluss auf die Atmosphäre über dem arktischen Ozean. Eisrinnen (sog. Leads) verursachen konvektive Flüsse von latenter und sensibler Wärme und führen zum Eintrag von Aerosolpartikeln in die Atmosphäre. Dadurch führen sie zum vermehrten Auftreten von Wolken und modifizieren die Struktur und die Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht (ABL), wodurch das arktische Klima beeinflusst wird. Im Rahmen der Messkampagne PAMARCMIP 2012 des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) wurden als Teil dieser Arbeit über dem westlichen arktischen Ozean Flugzeugmessungen durchgeführt. Mithilfe des nach unten gerichteten Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde die Rückstreuung von Aerosolen und Wolken in der unteren Troposphäre und ABL gemessen. Dropsonden wurden verwendet, um Profile meteorologischer Größen zu erhalten. Zudem wurden in situ Messungen von Aerosoleigenschaften, meteorologischen Variablen und der Turbulenz durchgeführt. In dieser Arbeit werden die Eigenschaften der ABL über arktischem Meereis basierend auf den Daten der PAMARCMIP Kampagne untersucht. Dabei liegt der Fokus auf dem Einfluss offener Leads auf die ABL. Aus den gewonnenen Dropsondendaten und AMALi Rückstreuprofilen wird die Höhe der ABL mithilfe verschiedener Methoden bestimmt. Die für verschiedene Messflüge und somit unterschiedliche atmosphärische Bedingungen sowie Meereisverteilungen berechneten ABL Höhen werden miteinander verglichen, und somit der Einfluss von offenem Wasser auf die ABL untersucht. Die verschiedenen Methoden zur Bestimmung der ABL Höhe führen zu unterschiedlichen Ergebnissen, je nach Eigenschaften der ABL und ihrer Geschichte. Es wird gezeigt, dass die Methoden für die ABL Höhen-Bestimmung aus der Lidar Rückstreuung, die gewöhnlich für die mittleren Breiten verwendet werden, nur bedingt für arktische Bedingungen geeignet ist. Um die ABL Höhe aus der Rückstreuung ableiten zu können, müssen Aerosole oder Wolken in der Grenzschicht als Tracer vorhanden sein. Dazu ist eine Aerosolquelle nahe der Oberfläche notwendig, welche typischerweise unter dem Einfluss von offenem Wasser und konvektiven Bedingungen vorliegt. Dennoch ist es nicht immer möglich, die aktuelle Grenzschicht von residualen Schichten zu unterscheiden. Stabile Grenzschichten sind im Allgemeinen schwer zu detektieren. Um die Komplexität der arktischen Grenzschicht und die beteiligten Prozesse zu veranschaulichen, werden vier Fallstudien detailliert analysiert, welche jeweils eine Momentaufnahme des Zusammenspiels von Atmosphäre und Meereis oder Wasseroberfläche darstellen. Der Einfluss von Leads und offenem Wasser auf Aerosol und Wolken in der ABL werden identifiziert und diskutiert. Die Bildung von Wolken- und Nebelschichten, verursacht durch den Feuchteeintrag über offenen Leads, wird beobachtet. Zudem verringern leads die Stabilität der ABL, führen zu einer Zunahme ihrer Höhe und begünstigen dadurch Entrainment von Luft und Aerosolschichten aus der freien Troposphäre. KW - polar KW - atmosphere KW - AMALi KW - Polar 5 KW - lead KW - polar KW - Atmosphäre KW - AMALi KW - Polar 5 KW - Eisrinne Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-75076 ER - TY - JOUR A1 - Palyulin, Vladimir V. A1 - Ala-Nissila, Tapio A1 - Metzler, Ralf ED - Metzler, Ralf T1 - Polymer translocation: the first two decades and the recent diversification JF - Soft matter N2 - Probably no other field of statistical physics at the borderline of soft matter and biological physics has caused such a flurry of papers as polymer translocation since the 1994 landmark paper by Bezrukov, Vodyanoy, and Parsegian and the study of Kasianowicz in 1996. Experiments, simulations, and theoretical approaches are still contributing novel insights to date, while no universal consensus on the statistical understanding of polymer translocation has been reached. We here collect the published results, in particular, the famous–infamous debate on the scaling exponents governing the translocation process. We put these results into perspective and discuss where the field is going. In particular, we argue that the phenomenon of polymer translocation is non-universal and highly sensitive to the exact specifications of the models and experiments used towards its analysis. KW - solid-state nanopores KW - single-stranded-dna KW - posttranslational protein translocation KW - anomalous diffusion KW - monte-carlo KW - structured polynucleotides KW - dynamics simulation KW - equation approach KW - osmotic-pressure KW - membrane channel Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76266 SN - 1744-683X VL - 45 IS - 10 SP - 9016 EP - 9037 PB - the Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - GEN A1 - Palyulin, Vladimir V. A1 - Ala-Nissila, Tapio A1 - Metzler, Ralf T1 - Polymer translocation: the first two decades and the recent diversification N2 - Probably no other field of statistical physics at the borderline of soft matter and biological physics has caused such a flurry of papers as polymer translocation since the 1994 landmark paper by Bezrukov, Vodyanoy, and Parsegian and the study of Kasianowicz in 1996. Experiments, simulations, and theoretical approaches are still contributing novel insights to date, while no universal consensus on the statistical understanding of polymer translocation has been reached. We here collect the published results, in particular, the famous–infamous debate on the scaling exponents governing the translocation process. We put these results into perspective and discuss where the field is going. In particular, we argue that the phenomenon of polymer translocation is non-universal and highly sensitive to the exact specifications of the models and experiments used towards its analysis. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 179 KW - solid-state nanopores KW - single-stranded-dna KW - posttranslational protein translocation KW - anomalous diffusion KW - monte-carlo KW - structured polynucleotides KW - dynamics simulation KW - equation approach KW - osmotic-pressure KW - membrane channel Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-76287 SP - 9016 EP - 9037 ER - TY - JOUR A1 - Jeon, Jae-Hyung A1 - Chechkin, Aleksei V. A1 - Metzler, Ralf T1 - Scaled Brownian motion: a paradoxical process with a time dependent diffusivity for the description of anomalous diffusion JF - Physical chemistry, chemical physics : PCCP N2 - Anomalous diffusion is frequently described by scaled Brownian motion (SBM){,} a Gaussian process with a power-law time dependent diffusion coefficient. Its mean squared displacement is ?x2(t)? [similar{,} equals] 2K(t)t with K(t) [similar{,} equals] t[small alpha]-1 for 0 < [small alpha] < 2. SBM may provide a seemingly adequate description in the case of unbounded diffusion{,} for which its probability density function coincides with that of fractional Brownian motion. Here we show that free SBM is weakly non-ergodic but does not exhibit a significant amplitude scatter of the time averaged mean squared displacement. More severely{,} we demonstrate that under confinement{,} the dynamics encoded by SBM is fundamentally different from both fractional Brownian motion and continuous time random walks. SBM is highly non-stationary and cannot provide a physical description for particles in a thermalised stationary system. Our findings have direct impact on the modelling of single particle tracking experiments{,} in particular{,} under confinement inside cellular compartments or when optical tweezers tracking methods are used. KW - single-particle tracking KW - living cells KW - random-walks KW - subdiffusion KW - dynamics KW - nonergodicity KW - coefficients KW - transport KW - membrane KW - behavior Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1039/C4CP02019G VL - 30 IS - 16 SP - 15811 EP - 15817 PB - The Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - JOUR A1 - Metzler, Ralf A1 - Bauer, Maximilian A1 - Rasmussen, Emil S. A1 - Lomholt, Michael A. T1 - Real sequence effects on the search dynamics of transcription factors on DNA JF - Scientific Reports N2 - Recent experiments show that transcription factors (TFs) indeed use the facilitated diffusion mechanism to locate their target sequences on DNA in living bacteria cells: TFs alternate between sliding motion along DNA and relocation events through the cytoplasm. From simulations and theoretical analysis we study the TF-sliding motion for a large section of the DNA-sequence of a common E. coli strain, based on the two-state TF-model with a fast-sliding search state and a recognition state enabling target detection. For the probability to detect the target before dissociating from DNA the TF-search times self-consistently depend heavily on whether or not an auxiliary operator (an accessible sequence similar to the main operator) is present in the genome section. Importantly, within our model the extent to which the interconversion rates between search and recognition states depend on the underlying nucleotide sequence is varied. A moderate dependence maximises the capability to distinguish between the main operator and similar sequences. Moreover, these auxiliary operators serve as starting points for DNA looping with the main operator, yielding a spectrum of target detection times spanning several orders of magnitude. Auxiliary operators are shown to act as funnels facilitating target detection by TFs. KW - gene regulatory networks KW - biological physics Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1038/srep10072 SN - 2045-2322 VL - 5 IS - 10072 PB - Nature Publishing Group CY - London ER - TY - THES A1 - Hainich, Rainer T1 - The Wolf-Rayet stars of the nitrogen sequence in environments of different metallicities Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Rudorf, Sophia T1 - Protein Synthesis by Ribosomes Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Goswami, Bedartha T1 - Uncertainties in climate data analysis T1 - Unsicherheiten in der Analyse von Klimadaten BT - Perspectives on working with measurement errors and other unknowns BT - Über Möglichkeiten der Arbeit mit Meßfehlern und anderen Unbekannten N2 - Scientific inquiry requires that we formulate not only what we know, but also what we do not know and by how much. In climate data analysis, this involves an accurate specification of measured quantities and a consequent analysis that consciously propagates the measurement errors at each step. The dissertation presents a thorough analytical method to quantify errors of measurement inherent in paleoclimate data. An additional focus are the uncertainties in assessing the coupling between different factors that influence the global mean temperature (GMT). Paleoclimate studies critically rely on `proxy variables' that record climatic signals in natural archives. However, such proxy records inherently involve uncertainties in determining the age of the signal. We present a generic Bayesian approach to analytically determine the proxy record along with its associated uncertainty, resulting in a time-ordered sequence of correlated probability distributions rather than a precise time series. We further develop a recurrence based method to detect dynamical events from the proxy probability distributions. The methods are validated with synthetic examples and demonstrated with real-world proxy records. The proxy estimation step reveals the interrelations between proxy variability and uncertainty. The recurrence analysis of the East Asian Summer Monsoon during the last 9000 years confirms the well-known `dry' events at 8200 and 4400 BP, plus an additional significantly dry event at 6900 BP. We also analyze the network of dependencies surrounding GMT. We find an intricate, directed network with multiple links between the different factors at multiple time delays. We further uncover a significant feedback from the GMT to the El Niño Southern Oscillation at quasi-biennial timescales. The analysis highlights the need of a more nuanced formulation of influences between different climatic factors, as well as the limitations in trying to estimate such dependencies. N2 - Wissenschaftliche Untersuchungen setzen nicht nur eine Formulierung des gegenwärtigen Kenntnisstandes mitsamt ihrer Unsicherheiten voraus, sondern ebenso eine Eingrenzung des Unbekannten. Bezogen auf die Analyse von Klimadaten beinhaltet dies eine präzise Spezifikation gemessener Größen sowie eine durchgängige Berücksichtigung ihrer Messunsicherheiten in allen Schritten der Analyse. Diese Dissertation präsentiert eine analytische Methode zur Quantifizierung der in Paläoklimadaten inhärenten Messunsicherheiten. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Unsicherheiten in der Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die globale Durchschnittstemperatur (GMT global mean temperature) beeinflussen. Die Paläoklimaforschung beruht in kritischem Maße auf der Analyse von Proxydaten welche die Klimaentwicklung dokumentieren. Allerdings sind Proxydaten mit inhärenten Datierungsunsicherheiten behaftet. Basierend auf einem generischen Bayes’schen Ansatz wird in dieser Dissertation eine analytische Methode vorgestellt um aus den zeitlich unsicheren Proxydaten zeitlich präzise Folgen korrelierter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erhalten. Von diesen Verteilungen werden Proxyzeitreihen zusammen mit ihren Unsicherheiten berechnet. Weiterhin wird eine rekurrenzbasierte Methode zur Analyse von Proxydaten entwickelt welche anhand dieser Wahrscheinlichkeitsverteilungen plötzliche Änderungen in der Dynamik des Systems ermittelt. Beide Methoden werden mit Hilfe synthetischer Beispieldaten validiert und mit realen Proxydaten demonstriert. Diese statistische Analyse von Proxydaten deckt unteranderem die Beziehungen zwischen der Variabilität der Daten und zugehöriger Unsicherheiten der Proxyzeitreihen auf. Die Re- kurrenzanalyse des Ostasiatischen Sommermonsuns bestätigt die bekannten Trockenzeiten der letzten 9.000 Jahre um 8.200 bzw. 4.400 Jahre vor unserer Zeit und deckt eine zusätzliche Trockenzeit um etwa 6.900 Jahre vor unserer Zeit auf. Die Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die GMT beeinflussen lässt sich als ein verworrenes, gerichtetes Netzwerk mit multiplen Links, welche zu verschiedenen Zeitskalen gehören, darstellen. Speziell ergibt sich eine signifikante Wechselwirkung zwischen der GMT und dem ENSO-Phänomen (El Niño-Southern Oscillation) auf einer quasi-zweijährigen Zeitskala. Einerseits beleuchtet diese Analyse die Notwendigkeit Einflüsse verschiedener Klimafaktoren auf die GMT nuancierter zu formulieren, andererseits werden die Grenzen der Quantifizierung dieser Einflüsse aufgezeigt. KW - data analysis KW - Bayesian estimation KW - Bayessche Schätzer KW - Datenanalyse Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78312 ER - TY - GEN A1 - Metzler, Ralf A1 - Bauer, Maximilian A1 - Rasmussen, Emil S. A1 - Lomholt, Michael A. T1 - Real sequence effects on the search dynamics of transcription factors on DNA N2 - Recent experiments show that transcription factors (TFs) indeed use the facilitated diffusion mechanism to locate their target sequences on DNA in living bacteria cells: TFs alternate between sliding motion along DNA and relocation events through the cytoplasm. From simulations and theoretical analysis we study the TF-sliding motion for a large section of the DNA-sequence of a common E. coli strain, based on the two-state TF-model with a fast-sliding search state and a recognition state enabling target detection. For the probability to detect the target before dissociating from DNA the TF-search times self-consistently depend heavily on whether or not an auxiliary operator (an accessible sequence similar to the main operator) is present in the genome section. Importantly, within our model the extent to which the interconversion rates between search and recognition states depend on the underlying nucleotide sequence is varied. A moderate dependence maximises the capability to distinguish between the main operator and similar sequences. Moreover, these auxiliary operators serve as starting points for DNA looping with the main operator, yielding a spectrum of target detection times spanning several orders of magnitude. Auxiliary operators are shown to act as funnels facilitating target detection by TFs. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 189 KW - gene regulatory networks KW - biological physics Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-79411 ER - TY - THES A1 - Gomez, David T1 - Mechanisms of biochemical reactions within crowded environments T1 - Mechanismus der Biochemische Reaktionen im vollgestopfte Umgebungen N2 - The cell interior is a highly packed environment in which biological macromolecules evolve and function. This crowded media has effects in many biological processes such as protein-protein binding, gene regulation, and protein folding. Thus, biochemical reactions that take place in such crowded conditions differ from diluted test tube conditions, and a considerable effort has been invested in order to understand such differences. In this work, we combine different computationally tools to disentangle the effects of molecular crowding on biochemical processes. First, we propose a lattice model to study the implications of molecular crowding on enzymatic reactions. We provide a detailed picture of how crowding affects binding and unbinding events and how the separate effects of crowding on binding equilibrium act together. Then, we implement a lattice model to study the effects of molecular crowding on facilitated diffusion. We find that obstacles on the DNA impair facilitated diffusion. However, the extent of this effect depends on how dynamic obstacles are on the DNA. For the scenario in which crowders are only present in the bulk solution, we find that at some conditions presence of crowding agents can enhance specific-DNA binding. Finally, we make use of structure-based techniques to look at the impact of the presence of crowders on the folding a protein. We find that polymeric crowders have stronger effects on protein stability than spherical crowders. The strength of this effect increases as the polymeric crowders become longer. The methods we propose here are general and can also be applied to more complicated systems. N2 - Innerhalb einer Zelle, im Zytosol, entstehen und arbeiten sehr viele biologische Makromoleküle. Die Dichte dieser Moleküle ist sehr hoch und dieses ‘vollgestopfte’ Zytosol hat vielfältige Auswirkungen auf viele biologische Prozessen wie zum Beispiel Protein-Protein Interaktionen, Genregulation oder die Faltung von Proteinen. Der Ablauf von vielen biochemische Reaktionen in dieser Umgebung weicht von denen unter verdünnte Laborbedingungen ab. Um die Effekte dieses ‘makromolekularen Crowdings’ zu verstehen, wurde in den letzten Jahren bereits viel Mühe investiert. In dieser Arbeit kombinieren wir verschiede Computermethoden, um die Wirkungen des ‘makromolekularen Crowdings’ auf biologische Prozesse besser zu verstehen. Zuerst schlagen wir ein Gittermodell vor, um damit die Effekte des ‘makromolekularen Crowdings’ auf enzymatische Reaktionen zu studieren. Damit stellen wir ein detailliertes Bild zusammen, wie Crowding die Assoziations- und Dissozotationsraten beeinflusst und wie verschiedene crowding-Effekte zusammen auf die Gleichgewichtskonstante wirken. Weiterhin implementieren wir ein Gittermodell der ‘erleichterte Diffusion’. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Hindernisse an der DNA die vereinfachte Diffusion beeinträchtigen. Das Ausmass dieser Wirkung hängt dabei von der Dynamik der Hindernisse an der DNA ab. Im dem Fall dass Crowder ausschließlich in der Lösung vorhanden sind, erhöhen sich unter bestimmten Bedingungen DNA-spezifische Bindungen. Schließlich nutzten wir strukturbasierte Techniken um damit die Auswirkungen von Crowding auf die Faltung von Proteinen zu untersuchen. Wir fanden dabei, dass Polymer Crowder stärkere Wirkungen auf die Proteinstabilität haben als kugelförmige Crowder. Dieser Effekt verstärkte sich mit der Länge der untersuchten Polymere. Die Methoden die hier vorgeschlagen werden, sind generell anwendbar und können auch an deutlich komplexeren Systemen angewandt werden. KW - molecular crowding KW - gene expression KW - enzymatic activity KW - protein folding KW - Molecular crowding KW - enzymatische Reaktionen KW - Genregulation KW - Faltung von Proteinen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-94593 ER - TY - THES A1 - Lehmann, Jascha In-su T1 - Changes in extratropical storm track activity and their implications for extreme weather events Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Bittermann, Klaus T1 - Semi-empirical sea-level modelling T1 - Semiempirische Meeresspiegelmodellierung N2 - Semi-empirical sea-level models (SEMs) exploit physically motivated empirical relationships between global sea level and certain drivers, in the following global mean temperature. This model class evolved as a supplement to process-based models (Rahmstorf (2007)) which were unable to fully represent all relevant processes. They thus failed to capture past sea-level change (Rahmstorf et al. (2012)) and were thought likely to underestimate future sea-level rise. Semi-empirical models were found to be a fast and useful tool for exploring the uncertainties in future sea-level rise, consistently giving significantly higher projections than process-based models. In the following different aspects of semi-empirical sea-level modelling have been studied. Models were first validated using various data sets of global sea level and temperature. SEMs were then used on the glacier contribution to sea level, and to infer past global temperature from sea-level data via inverse modelling. Periods studied encompass the instrumental period, covered by tide gauges (starting 1700 CE (Common Era) in Amsterdam) and satellites (first launched in 1992 CE), the era from 1000 BCE (before CE) to present, and the full length of the Holocene (using proxy data). Accordingly different data, model formulations and implementations have been used. It could be shown in Bittermann et al. (2013) that SEMs correctly predict 20th century sea-level when calibrated with data until 1900 CE. SEMs also turned out to give better predictions than the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 4th assessment report (AR4, IPCC (2007)) models, for the period from 1961–2003 CE. With the first multi-proxy reconstruction of global sea-level as input, estimate of the human-induced component of modern sea-level change and projections of future sea-level rise were calculated (Kopp et al. (2016)). It turned out with 90% confidence that more than 40 % of the observed 20th century sea-level rise is indeed anthropogenic. With the new semi-empirical and IPCC (2013) 5th assessment report (AR5) projections the gap between SEM and process-based model projections closes, giving higher credibility to both. Combining all scenarios, from strong mitigation to business as usual, a global sea-level rise of 28–131 cm relative to 2000 CE, is projected with 90% confidence. The decision for a low carbon pathway could halve the expected global sea-level rise by 2100 CE. Present day temperature and thus sea level are driven by the globally acting greenhouse-gas forcing. Unlike that, the Milankovich forcing, acting on Holocene timescales, results mainly in a northern-hemisphere temperature change. Therefore a semi-empirical model can be driven with northernhemisphere temperatures, which makes it possible to model the main subcomponent of sea-level change over this period. It showed that an additional positive constant rate of the order of the estimated Antarctic sea-level contribution is then required to explain the sea-level evolution over the Holocene. Thus the global sea level, following the climatic optimum, can be interpreted as the sum of a temperature induced sea-level drop and a positive long-term contribution, likely an ongoing response to deglaciation coming from Antarctica. N2 - Semiempirische Meeresspiegelmodelle (SEMe) nutzen die physikalisch motivierte, empirische Beziehung des globalen Meeresspiegels zu einem bestimmten Antrieb. Im Folgenden ist das die mittlere globale Temperatur. Diese Modellklasse entstand als Ergänzung zu prozeßbasierten Modellen, die nicht alle relevanten Prozesse abbilden konnten (Rahmstorf (2007)) und die deshalb weder den beobachteten Meeresspiegel erklären konnten (Rahmstorf et al. (2012)) noch vertrauenswürdige Zukunftsprojektionen lieferten. Semiempirische Modelle sind eine gute und schnelle Option, die Unsicherheit im zukünftigen Meeresspiegelanstieg auszuloten, wobei sie konsistent höhere Zukunftsprojektionen lieferten als prozeßbasierte Modelle. Im Folgenden wurden verschiedene Aspekte der semiempirischen Meeresspiegelmodellierung untersucht. Modelle wurden erst mit verschiedenen globalen Temperatur- und Meeresspiegeldatensätzen validiert. SEMe wurden dann auf den Meeresspiegelbeitrag von Gletschern angewandt und genutzt, um die globale Temperatur aus Meeresspiegeldaten abzuleiten. Die untersuchten Zeiträume variieren zwischen dem instrumentellen Abschnitt mit Pegelstandsmessungen (seit dem Jahr 1700 in Amsterdam) und Satellitendaten (seit 1992), dem Zeitraum seit 1000 vor Christus und dem gesamten Holozän (mittels Proxydaten). Entsprechend wurden verschiedene Daten, Modellformulierungen und -implementationen benutzt. Es konnte in Bittermann et al. (2013) gezeigt werden, dass SEMe den beobachteten Meeresspiegel des 20sten Jahrhunderts korrekt vorhersagen können, wenn sie bis zum Jahr 1900 kalibriert wurden. Auch für den Zeitraum 1961 bis 2003 lieferten SEMe bessere Vorhersagen als der vierte Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (AR4, IPCC (2007)). Mit der ersten globalen multi-proxy Rekonstruktion des globalen Meeresspiegels als Input konnten sowohl der anthropogene Anteil des modernen Meeresspiegelanstiegs als auch Zukunftsprojektionen berechnet werden (Kopp et al. (2016)). Es zeigt sich mit 90% Sicherheit, dass mehr als 40 % des beobachteten Meeresspiegelanstiegs im 20sten Jahrhundert anthropogenen Ursprungs sind. Mit den neuen semiempirischen Zukunftsprojektionen und denen des fünften Sachstandsberichtes (AR5) des IPCC (2013) läßt sich die Kluft zwischen SEMen und prozeßbasierten Modellen schließen, was beide vertrauenswürdiger macht. Über alle Szenarien hinweg, von starker Treibhausgaseinsparung bis zum ungebremsten Ausstoß, ergibt sich, mit 90% Sicherheit, zwischen 2000 und 2100 ein Meeresspiegelanstieg von 28 bis 131 cm. Die Entscheidung starker Treibhausgaseinsparungen kann den erwarteten globalen Meeresspiegelanstieg im Jahr 2100 halbieren. Die gegenwärtige globale Temperatur, und damit der globale Meeresspiegel, werden von dem global wirkenden Treibhausgasforcing bestimmt. Im Gegensatz dazu wirkt das orbitale Forcing, welches über Holozän-Zeitskalen dominiert, hauptsächlich auf die Nordhemisphäre. Deshalb kann man ein SEM mit Nordhemisphärentemperaturen antreiben und dadurch die Hauptkomponente der Meeresspiegeländerung über das Holozän simulieren. Es stellte sich heraus, dass eine zusätzliche konstante Rate, von der Größenordnung des antarktischen Beitrags zum Meeresspiegel, nötig ist, um den Meeresspiegelverlauf des Holozäns zu erklären. Der Meeresspiegel seit dem Holozän-Klimaoptimum kann also als eine Summe von temperaturbedingtem Fallen und einem langfristigen positiven Beitrag, wahrscheinlich einer andauernden Reaktion auf die Deglaziation der Antarktis, interpretiert werden. KW - sea level KW - Meeresspiegel KW - climate change KW - Klimawandel KW - projections KW - Projektionen KW - anthropogenic sea level KW - anthropogener Meeresspiegel KW - Holocene KW - Holozän KW - semi-empirical models KW - semiempirische Modelle Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93881 ER - TY - JOUR A1 - Ghosh, Surya K. A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Petrov, Eugene P. A1 - Metzler, Ralf T1 - Interactions of rod-like particles on responsive elastic sheets JF - Soft matter N2 - What are the physical laws of the mutual interactions of objects bound to cell membranes, such as various membrane proteins or elongated virus particles? To rationalise this, we here investigate by extensive computer simulations mutual interactions of rod-like particles adsorbed on the surface of responsive elastic two-dimensional sheets. Specifically, we quantify sheet deformations as a response to adhesion of such filamentous particles. We demonstrate that tip-to-tip contacts of rods are favoured for relatively soft sheets, while side-by-side contacts are preferred for stiffer elastic substrates. These attractive orientation-dependent substrate-mediated interactions between the rod-like particles on responsive sheets can drive their aggregation and self-assembly. The optimal orientation of the membrane-bound rods is established via responding to the elastic energy profiles created around the particles. We unveil the phase diagramme of attractive–repulsive rod–rod interactions in the plane of their separation and mutual orientation. Applications of our results to other systems featuring membrane-associated particles are also discussed. Y1 - 2016 U6 - https://doi.org/10.1039/C6SM01522K SN - 1744-6848 SN - 1744-683X PB - RSC CY - London ER -