TY  - THES
A1  - Stoll, Andreas
T1  - Advanced spectroscopic instruments enabled by integrated optics
N2  - The aim of this work is the study of silica Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) in the context of applications in astronomy. The specific focus lies on the investigation of the feasibility and technology limits of customized silica AWG devices for high resolution near-infrared spectroscopy. In a series of theoretical and experimental studies, AWG devices of varying geometry, foot-print and spectral resolution are constructed, simulated using a combination of a numerical beam propagation method and Fraunhofer diffraction and fabricated devices are characterized with respect to transmission efficiency, spectral resolution and polarization sensitivity. The impact of effective index non-uniformities on the performance of high-resolution AWG devices is studied numerically. Characterization results of fabricated devices are used to extrapolate the technology limits of the silica platform. The important issues of waveguide birefringence and defocus aberration are discussed theoretically and addressed experimentally by selection of an appropriate aberration-minimizing anastigmatic AWG layout structure. The drawbacks of the anastigmatic AWG geometry are discussed theoretically. From the results of the experimental studies, it is concluded that fabrication-related phase errors and waveguide birefringence are the primary limiting factors for the growth of AWG spectral resolution. It is shown that, without post-processing, the spectral resolving power is phase-error-limited to R < 40, 000 and, in the case of unpolarized light, birefringence-limited to R < 30, 000 in the AWG devices presented in this work. Necessary measures, such as special waveguide geometries and post-fabrication phase error correction are proposed for future designs. The elimination of defocus aberration using an anastigmatic AWG geometry is successfully demonstrated in experiment. Finally, a novel, non-planar dispersive in-fibre waveguide structure is proposed, discussed and studied theoretically.
N2  - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) auf SiO2-Basis im Kontext von Anwendungen in der Astronomie. Der besondere Fokus liegt auf der Untersuchung der Machbarkeit und der technologischen Grenzen von spezialisierten AWGs für die hochauflösende Nahinfrarot-Spektroskopie. In einer Reihe von theoretischen und experimentellen Studien werden AWGs unterschiedlicher Geometrie, Größe und spektraler Auflösung konstruiert, unter Verwendung einer numerischen Beam-Propagation-Methode (BPM) und Fraunhofer-Beugung simuliert und hinsichtlich Effizienz, spektraler Auflösung und Polarisationsempfindlichkeit charakterisiert. Der Einfluss von Variationen des effektiven Brechungsindex auf die Leistung von hochauflösenden AWGs wird numerisch untersucht. Mit hergestellten AWGs gewonnene Messergebnisse werden verwendet, um die technologischen Grenzen der SiO2-Plattform zu extrapolieren. Die relevanten Probleme der Polarisationsempfindlichkeit und der in kanonischen Rowland-Geometrien auftretenden Defokusaberration werden theoretisch diskutiert und experimentell durch die Auswahl einer geeigneten aberrationsminimierenden AWG-Struktur angegangen. Die Nachteile anastigmatischer AWGs werden theoretisch diskutiert. Aus den Ergebnissen der experimentellen Studien wird geschlossen, dass herstellungsbedingte Phasenfehler und Wellenleiter-Doppelbrechung die primären begrenzenden Faktoren für die Erhöhung der AWG-Spektralauflösung sind. Es wird gezeigt, dass das spektrale Auflösungsvermögen der in dieser Arbeit präsentierten AWGs ohne Phasenfehlerkorrektur auf R < 40, 000 und durch Doppelbrechung auf R < 30, 000 im Fall unpolarisierten Lichtes begrenzt ist. Notwendige Maßnahmen wie spezielle Wellenleitergeometrien und Phasenfehlerkorrektur nach der Herstellung werden für zukünftige AWG-Designs empfohlen. Die Eliminierung von Defokussierungsfehlern unter Verwendung einer anastigmatischen AWG-Geometrie wird erfolgreich im Experiment demonstriert. Schließlich wird eine neuartige, in eine optische Faser eingebettete, nicht-planare dispersive Wellenleiterstruktur vorgeschlagen, diskutiert und theoretisch untersucht.
KW  - Astrophotonics
KW  - Integrated spectrograph
KW  - planar lightwave circuit
KW  - arrayed waveguide grating
KW  - silica-on-silicon
KW  - Astrophotonik
KW  - integrierter Spektrograph
KW  - planare Lichtwellenleiter
KW  - Siliziumdioxid-auf-Silizium
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Keles, Engin
T1  - Atmospheric properties and dynamics of gaseous exoplanets inferred from high-resolution alkali line transmission spectroscopy
N2  - The characterization of exoplanets applying high-resolution transmission spectroscopy ini- tiated a new era making it possible to trace atmospheric signature at high altitudes in exoplanet atmospheres and to determine atmospheric properties which enrich our under- standing of the formation and evolution of the solar system. In contrast to what is observed in our solar system, where gaseous planets orbit at wide orbits, Jupiter type exoplanets were detected in foreign stellar systems surrounding their host stars within few days, in close orbits, the so called hot- and ultra-hot Jupiters. The most well studied ones are HD209458b and HD189733b, which are the first exoplanets where absorption is detected in their atmospheres, namely from the alkali line sodium. For hot Jupiters, the resonant alkali lines are the atmospheric species with one of the strongest absorption signatures, due to their large absorption cross-section. However, al- though the alkali lines sodium and potassium were detected in low-resolution observations for various giant exoplanets, potassium was absent in different high-resolution investiga- tions in contrast to sodium. The reason for this is quite puzzling, since both alkalis have very similar physical and chemical properties (e.g. condensation and ionization proper- ties). Obtaining high-resolution transit observations of HD189733b and HD209458b, we were able to detect potassium on HD189733b (Manuscript 1), which was the first high-resolution detection of potassium on an exoplanet. The absence of potassium on HD209458b could be reasoned by depletion processes, such as condensation or photo-ionization or high-altitude clouds. In a further study (Manuscript II), we resolved the potassium line and compared this to a previously detected sodium absorption on this planet. The comparison showed, that the potassium lines are either tracing different altitudes and temperatures compared to the sodium lines, or are depleted so that the planetary Na/K- ratio is way larger than the stellar one. A comparison of the alkali lines with synthetic line profiles showed that the sodium lines were much broader than the potassium lines, probably being induced by winds. To investigate this, the effect of zonal streaming winds on the sodium lines on Jupiter-type planets is investigated in a further study (Manuscript III), showing that such winds can significantly broaden the Na- lines and that high-resolution observations can trace such winds with different properties. Furthermore, investigating the Na-line observations for different exoplanets, I showed that the Na-line broadening follows a trend with cooler planets showing stronger line broadening and so hinting on stronger winds, matching well into theoretical predictions. Each presented manuscript depends on the re- sults published within the previous manuscript, yielding a unitary study of the exoplanet HD189733b. The investigation of the potassium absorption required to account for different effects: The telluric lines removal and the effect of center-to-limb variation (see Manuscript I), the residual Rossiter-Mc-Laughlin effect (see Manuscript II) and the broadening of spectral lines on a translucent atmospheric ring by zonal jet streams (see Manuscript III). This thesis shows that high-resolution transmission spectroscopy is a powerful tool to probe sharp alkali line absorption on giant exoplanet atmospheres and to investigate on the properties and dynamics of hot Jupiter type atmospheres.
KW  - planets and satellites: atmospheres
KW  - planets and satellites: composition
KW  - planets and satellites: gaseous planets
KW  - exoplanets
Y1  - 2021
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TY  - THES
A1  - Müller, Melanie J. I.
T1  - Bidirectional transport by molecular motors
T1  - Bidirektionaler Transport durch molekulare Motoren
N2  - In biological cells, the long-range intracellular traffic is powered by molecular motors which transport various cargos along microtubule filaments. The microtubules possess an intrinsic direction, having a 'plus' and a 'minus' end. Some molecular motors such as cytoplasmic dynein walk to the minus end, while others such as conventional kinesin walk to the plus end. Cells typically have an isopolar microtubule network. This is most pronounced in neuronal axons or fungal hyphae. In these long and thin tubular protrusions, the microtubules are arranged parallel to the tube axis with the minus ends pointing to the cell body and the plus ends pointing to the tip. In such a tubular compartment, transport by only one motor type leads to 'motor traffic jams'. Kinesin-driven cargos accumulate at the tip, while dynein-driven cargos accumulate near the cell body. We identify the relevant length scales and characterize the jamming behaviour in these tube geometries by using both Monte Carlo simulations and analytical calculations. A possible solution to this jamming problem is to transport cargos with a team of plus and a team of minus motors simultaneously, so that they can travel bidirectionally, as observed in cells. The presumably simplest mechanism for such bidirectional transport is provided by a 'tug-of-war' between the two motor teams which is governed by mechanical motor interactions only. We develop a stochastic tug-of-war model and study it with numerical and analytical calculations. We find a surprisingly complex cooperative motility behaviour. We compare our results to the available experimental data, which we reproduce qualitatively and quantitatively.
N2  - In biologischen Zellen transportieren molekulare Motoren verschiedenste Frachtteilchen entlang von Mikrotubuli-Filamenten. Die Mikrotubuli-Filamente besitzen eine intrinsische Richtung: sie haben ein "Plus-" und ein "Minus-"Ende. Einige molekulare Motoren wie Dynein laufen zum Minus-Ende, während andere wie Kinesin zum Plus-Ende laufen. Zellen haben typischerweise ein isopolares Mikrotubuli-Netzwerk. Dies ist besonders ausgeprägt in neuronalen Axonen oder Pilz-Hyphen. In diesen langen röhrenförmigen Ausstülpungen liegen die Mikrotubuli parallel zur Achse mit dem Minus-Ende zum Zellkörper und dem Plus-Ende zur Zellspitze gerichtet. In einer solchen Röhre führt Transport durch nur einen Motor-Typ zu "Motor-Staus". Kinesin-getriebene Frachten akkumulieren an der Spitze, während Dynein-getriebene Frachten am Zellkörper akkumulieren. Wir identifizieren die relevanten Längenskalen und charakterisieren das Stauverhalten in diesen Röhrengeometrien mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen und analytischen Rechnungen. Eine mögliche Lösung für das Stauproblem ist der Transport mit einem Team von Plus- und einem Team von Minus-Motoren gleichzeitig, so dass die Fracht sich in beide Richtungen bewegen kann. Dies wird in Zellen tatsächlich beobachtet. Der einfachste Mechanismus für solchen bidirektionalen Transport ist ein "Tauziehen" zwischen den beiden Motor-Teams, das nur mit mechanischer Interaktion funktioniert. Wir entwickeln ein stochastisches Tauzieh-Modell, das wir mit numerischen und analytischen Rechnungen untersuchen. Es ergibt sich ein erstaunlich komplexes Motilitätsverhalten. Wir vergleichen unsere Resultate mit den vorhandenen experimentellen Daten, die wir qualitativ und quantitativ reproduzieren.
KW  - molekulare Motoren
KW  - bidirektionaler intrazellulärer Transport
KW  - Tauziehen
KW  - stochastische Prozesse
KW  - kooperative Phänomene
KW  - molecular motors
KW  - bidirectional intracellular transport
KW  - tug-of-war
KW  - stochastic processes
KW  - cooperative phenomena
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18715
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TY  - THES
A1  - Bachmann, Felix
T1  - Non-linearity of magnetic micropropellers
BT  - chances and challenges of complex dynamics at the microscale
Y1  - 2019
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TY  - THES
A1  - Avila, Gastón
T1  - Asymptotic staticity and tensor decompositions with fast decay conditions
T1  - Asymptotisch statische Anfangsdaten und Tensor-Zerlegungen mit starken Abfallbedingungen
N2  - Corvino, Corvino and Schoen, Chruściel and Delay have shown the existence of a large class of asymptotically flat vacuum initial data for Einstein's field equations which are static or stationary in a neighborhood of space-like infinity, yet quite general in the interior. The proof relies on some abstract, non-constructive arguments which makes it difficult to calculate such data numerically by using similar arguments. A quasilinear elliptic system of equations is presented of which we expect that it can be used to construct vacuum initial data which are asymptotically flat, time-reflection symmetric, and asymptotic to static data up to a prescribed order at space-like infinity. A perturbation argument is used to show the existence of solutions. It is valid when the order at which the solutions approach staticity is restricted to a certain range. Difficulties appear when trying to improve this result to show the existence of solutions that are asymptotically static at higher order. The problems arise from the lack of surjectivity of a certain operator. Some tensor decompositions in asymptotically flat manifolds exhibit some of the difficulties encountered above. The Helmholtz decomposition, which plays a role in the preparation of initial data for the Maxwell equations, is discussed as a model problem. A method to circumvent the difficulties that arise when fast decay rates are required is discussed. This is done in a way that opens the possibility to perform numerical computations. The insights from the analysis of the Helmholtz decomposition are applied to the York decomposition, which is related to that part of the quasilinear system which gives rise to the difficulties. For this decomposition analogous results are obtained. It turns out, however, that in this case the presence of symmetries of the underlying metric leads to certain complications. The question, whether the results obtained so far can be used again to show by a perturbation argument the existence of vacuum initial data which approach static solutions at infinity at any given order, thus remains open. The answer requires further analysis and perhaps new methods.
N2  - Corvino, Corvino und Schoen als auch Chruściel und Delay haben die Existenz einer grossen Klasse asymptotisch flacher Anfangsdaten für Einsteins Vakuumfeldgleichungen gezeigt, die in einer Umgebung des raumartig Unendlichen statisch oder stationär aber im Inneren der Anfangshyperfläche sehr allgemein sind. Der Beweis beruht zum Teil auf abstrakten, nicht konstruktiven Argumenten, die Schwierigkeiten bereiten, wenn derartige Daten numerisch berechnet werden sollen. In der Arbeit wird ein quasilineares elliptisches Gleichungssystem vorgestellt, von dem wir annehmen, dass es geeignet ist, asymptotisch flache Vakuumanfangsdaten zu berechnen, die zeitreflektionssymmetrisch sind und im raumartig Unendlichen in einer vorgeschriebenen Ordnung asymptotisch zu statischen Daten sind. Mit einem Störungsargument wird ein Existenzsatz bewiesen, der gilt, solange die Ordnung, in welcher die Lösungen asymptotisch statische Lösungen approximieren, in einem gewissen eingeschränkten Bereich liegt. Versucht man, den Gültigkeitsbereich des Satzes zu erweitern, treten Schwierigkeiten auf. Diese hängen damit zusammen, dass ein gewisser Operator nicht mehr surjektiv ist. In einigen Tensorzerlegungen auf asymptotisch flachen Räumen treten ähnliche Probleme auf, wie die oben erwähnten. Die Helmholtzzerlegung, die bei der Bereitstellung von Anfangsdaten für die Maxwellgleichungen eine Rolle spielt, wird als ein Modellfall diskutiert. Es wird eine Methode angegeben, die es erlaubt, die Schwierigkeiten zu umgehen, die auftreten, wenn ein schnelles Abfallverhalten des gesuchten Vektorfeldes im raumartig Unendlichen gefordert wird. Diese Methode gestattet es, solche Felder auch numerisch zu berechnen. Die Einsichten aus der Analyse der Helmholtzzerlegung werden dann auf die Yorkzerlegung angewandt, die in den Teil des quasilinearen Systems eingeht, der Anlass zu den genannten Schwierigkeiten gibt. Für diese Zerlegung ergeben sich analoge Resultate. Es treten allerdings Schwierigkeiten auf, wenn die zu Grunde liegende Metrik Symmetrien aufweist. Die Frage, ob die Ergebnisse, die soweit erhalten wurden, in einem Störungsargument verwendet werden können um die Existenz von Vakuumdaten zu zeigen, die im räumlich Unendlichen in jeder Ordnung statische Daten approximieren, bleibt daher offen. Die Antwort erfordert eine weitergehende Untersuchung und möglicherweise auch neue Methoden.
KW  - Einsteins Feldgleichungen
KW  - Zwangsgleichungen
KW  - Tensor-Zerlegungen
KW  - raumartige Unendliche
KW  - elliptisches Gleichungssystem
KW  - Einstein's field equations
KW  - constraint equations
KW  - tensor decompositions
KW  - space-like infinity
KW  - elliptic systems
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-54046
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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
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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
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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  - 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  - 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  - 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  - THES
A1  - Shenar, Tomer
T1  - Comprehensive analyses of massive binaries and implications on stellar evolution
T1  - Umfassende Analysen massereicher Doppelsterne und Implikationen für die Sternentwicklung
N2  - Via their powerful radiation, stellar winds, and supernova explosions, massive stars (Mini & 8 M☉) bear a tremendous impact on galactic evolution. It became clear in recent decades that the majority of massive stars reside in binary systems. This thesis sets as a goal to quantify the impact of binarity (i.e., the presence of a companion star) on massive stars. For this purpose, massive binary systems in the Local Group, including OB-type binaries, high mass X-ray binaries (HMXBs), and Wolf-Rayet (WR) binaries, were investigated by means of spectral, orbital, and evolutionary analyses.

The spectral analyses were performed with the non-local thermodynamic equillibrium (non-LTE) Potsdam Wolf-Rayet (PoWR) model atmosphere code. Thanks to critical updates in the calculation of the hydrostatic layers, the code became a state-of-the-art tool applicable for all types of hot massive stars (Chapter 2). The eclipsing OB-type triple system δ Ori served as an intriguing test-case for the new version of the PoWR code, and provided key insights regarding the formation of X-rays in massive stars (Chapter 3). We further analyzed two prototypical HMXBs, Vela X-1 and IGR J17544-2619, and obtained fundamental conclusions regarding the dichotomy of two basic classes of HMXBs (Chapter 4). We performed an exhaustive analysis of the binary R 145 in the Large Magellanic Cloud (LMC), which was claimed to host the most massive stars known. We were able to disentangle the spectrum of the system, and performed an orbital, polarimetric, and spectral analysis, as well as an analysis of the wind-wind collision region. The true masses of the binary components turned out to be significantly lower than suggested, impacting our understanding of the initial mass function and stellar evolution at low metallicity (Chapter 5). Finally, all known WR binaries in the Small Magellanic Cloud (SMC) were analyzed. Although it was theoretical predicted that virtually all WR stars in the SMC should be formed via mass-transfer in binaries, we find that binarity was not important for the formation of the known WR stars in the SMC, implying a strong discrepancy between theory and observations (Chapter 6).
N2  - Durch ihre intensive Strahlung, Sternwinde und Supernovaexplosionen tragen massereiche Sterne (Minitial & 8 M☉) erheblich zur Entwicklung von Galaxien bei. In den letzten Jahren wurde es immer klarer, dass sich die Mehrheit der massereichen Sterne in Doppelsternsystemen befindet. Die vorliegende Doktorarbeit hat das Ziel, den Einfluss dieser Tatsache auf die Entwicklung massereicher Sterne quantitativ zu untersuchen. Um dies zu erreichen, haben wir eine Analyse der Umläufe, Spektren und Entwicklung verschiedener Doppelsternsysteme in der lokalen Gruppe durchgeführt, die OB-Sterne, massereicher Röntgendoppelsterne (HMXBs) und Wolf-Rayet-(WR)-Doppelsterne einschließt.

Die Spektralanalyse wurde mithilfe des Potsdam-Wolf-Rayet-(PoWR)-Modellatmosphären-Programms für Strahlungstransport in Abwesenheit von lokalem thermodynamischen Gleichgewicht (non-LTE) durchgeführt. Das PoWR-Programm wurde im Laufe der Arbeit aktualisiert, sodass die Berechnung der hydrostatischen Schichten des Sternes nun wesentlich genauer erfolgt, was die Verwendung dieses Programms für alle Typen heißer massereicher Sterne erlaubte (Kapitel 2). Das bedeckungsveränderliche Dreifachsternsystem δ Ori diente als Test für diese neue Version von PoWR, und lieferte wesentliche Informationen bezüglich der Entstehung von Röntgenstrahlung in massereichen Sternen (Kapitel 3). Die Analyse zweier prototypischer massereicher Röntgendoppelsterne, Vela X-1 und IGR J17544-2619, machte den Ursprung der Dichotomie der zwei Hauptklassen der Röntgendoppelsterne deutlich (Kapitel 4). Eine umfassende Analyse des Doppelsterns R145 in der Großen Magellanschen Wolke (LMC), der angeblich aus den massereichsten uns bekannten Sternen besteht, wurde durchgeführt. Mithilfe einer Dekomposition des Spektrums, einer Orbital- und Spektralanalyse, sowie einer Analyse der Kollision von Sternwinden in diesem System konnten wir zeigen, dass die Massen der Komponenten wesentlich kleiner sind als bisher angenommen. Dies ist ein wichtiger Beitrag zu unserem Verständnis der Anfangsmassenfunktion und der Entwicklung massereicher Sterne in Umgebungen geringer Metalizität (Kapitel 5). Schließlich wurde die Gesamtpopulation der WR-Doppelsterne in der Kleinen Magellanschen Wolke (SMC) analysiert. Im Widerspruch zur theoretischen Vorhersage, alle WR-Doppelsterne in der SMC seien dank Massentransfer in Doppelsternsystemen entstanden, finden wir, dass Massentransfer unerheblich für die Entstehung der uns bekannten WR-Sterne in der SMC war (Kapitel 6).
KW  - massive stars
KW  - Wolf-Rayet
KW  - stellar evolution
KW  - stellar winds
KW  - binary stars
KW  - massereiche Sterne
KW  - Wolf-Rayet
KW  - Sternentwicklung
KW  - Sternwinde
KW  - Doppelsterne
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-104857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krüsemann, Henning
T1  - First passage phenomena and single-file motion in ageing continuous time random walks and quenched energy landscapes
N2  - In der Physik gibt es viele Prozesse, die auf Grund ihrer Komplexität nicht durch physikalische Gleichungen beschrieben werden können, beispielsweise die Bewegung eines Staubkorns in der Luft. Durch die vielen Stöße mit Luftmolekülen führt es eine Zufallsbewegung aus, die so genannte Diffusion. Auch Moleküle in biologischen Zellen diffundieren, jedoch befinden sich in einer solchen Zelle im selben Volumen viel mehr oder viel größere Moleküle. Das beobachtete Teilchen stößt dementsprechend öfter mit anderen zusammen und die Diffusion wird langsamer, sie wird subdiffusiv. Mit der Zeit kann sich die Charakteristik der Subdiffusion ändern; dies wird als (mikroskopisches) Altern bezeichnet. Ich untersuche in der vorliegenden Arbeit zwei mathematische Modelle für eindimensionale Subdiffusion, einmal den continuous time random walk (CTRW) und einmal die Zufallsbewegung in einer eingefrorenen Energielandschaft (QEL=quenched energy landscape). Beide sind Sprungprozesse, das heißt, sie sind Abfolgen von räumlichen Sprüngen, die durch zufallsverteilte Wartezeiten getrennt sind. Die Wartezeiten in der QEL sind räumlich korrelliert, während sie im CTRW unkorrelliert sind. Ich untersuche in der vorliegenden Arbeit verschiedene statistische Größen in beiden Modellen. Zunächst untersuche ich den Einfluss des Alters und den Einfluss der Korrellationen einer QEL auf die Verteilung der Zeiten, die das diffundierendes Teilchen benötigt, um eine (räumliche) Schwelle zu überqueren. Ausserdem bestimme ich den Effekt des Alters auf Ströme von (sub)diffundierenden Partikeln, die sich auf eine absorbierende Barriere zubewegen. Zuletzt beschäftige ich mich mit der Diffusion einer eindimensionalen Anordnung von Teilchen in einer QEL, in der diese als harte Kugeln miteinander wechselwirken. Dabei vergleiche ich die gemeinsame Bewegung in einer QEL und als individuelle CTRWs miteinander über die Standartabweichung von der Startposition, für die ich das Mittel über mehrere QELs untersuche. Meine Arbeit setzt sich zusammen aus theoretischen Überlegungen und Berechnungen sowie der Simulation der Zufallsprozesse. Die Ergebnisse der Simulation und, soweit vorhanden, experimentelle Daten werden mit der Theorie verglichen.
N2  - In the first part of my work I have investigated the ageing properties of the first passage time distributions in a one-dimensional subdiffusive continuous time random walk with power law distributed waiting times of the form $\psi(\tau) \sim \tau^{-1-\alpha}$ with $0<\alpha<1$ and $1<\alpha<2$. The age or ageing time $t_a$ is the time span from the start of the stochastic process to the start of the observation of this process (at $t=0$). I have calculated the results for a single target and two targets, also including the biased case, where the walker is driven towards the boundary by a constant force. I have furthermore refined the previously derived results for the non-ageing case and investigated the changes that occur when the walk is performed in a discrete quenched energy landscape, where the waiting times are fixed for every site. The results include the exact Laplace space densities and infinite (converging) series as exact results in the time space. The main results are the dominating long time power law behavior regimes, which depend on the ageing time. For the case of unbiased subdiffusion ($\alpha < 1$) in the presence of one target, I find three different dominant terms for ranges of $t$ separated by $t_a$ and another crossover time $t^{\star}$, which depends on $t_a$ as well as on the anomalous exponent $\alpha$ and the anomalous diffusion coefficient $K_{\alpha}$. In all three regimes ($t \ll t_a$, $t_a \ll t \ll t^{\star}$, $t \gg t^{\star}$) one finds power law decay with exponents depending on $\alpha$. The middle regime only exists for $t_a \ll t^{\star}$. The dominant terms in the first two regimes (ageing regimes) come from the probability distribution of the forward waiting time, the time one has to wait for the stochastic process to make the first step during the observation. When the observation time is larger than the second crossover time $t^{\star}$, the first passage time density does not show ageing and the non-ageing first passage time dominates. The power law exponents in the respective regimes are $-\alpha$ for strong ageing, $-1-\alpha$ in the intermediate regime, and $-1-\alpha/2$ in the final non-ageing regime. A similar split into three regimes can be found for $1<\alpha<2$, only with a different second crossover time $t^*$. In this regime the diffusion is normal but also age-dependent. For the diffusion in quenched energy landscapes one cannot detect ageing. The first passage time density shows a quenched power law $^\sim t^{-(1+2\alpha)/(1+\alpha)}$.  For diffusion between two target sites and the biased diffusion towards a target only two scaling regimes emerge, separated by the ageing time. In the ageing case $t \ll t_a$ the forward waiting time is again dominant with power law exponent $-\alpha$, while the non-ageing power law $-1-\alpha$ is found for all times $t \gg t_a$. An intermediate regime does not exist. The bias and the confinement have similar effects on the first passage time density. For quenched diffusion, the biased case is interesting, as the bias reduces correlations due to revisiting of the same waiting time. As a result, CTRW like behavior is observed, including ageing. Extensive computer simulations support my findings.

The second part of my research was done on the subject of ageing Scher-Montroll transport, which is in parts closely related to the first passage densities. It explains the electrical current in an amorphous material. I have investigated the effect of the width of a given initial distribution of charge carriers on the transport coefficients as well as the ageing effect on the emerging power law regimes and a constant initial regime. While a spread out initial distribution has only little impact on the Scher-Montroll current, ageing alters the behavior drastically. Instead of the two classical power laws one finds four current regimes, up to three of which can appear in a single experiment. The dominant power laws differ for $t \ll t_a, t_c$, $t_a \ll t \ll t_c$, $t_c \ll t \ll t_a$, and $t \gg t_a,t_c$. Here, $t_c$ is the crossover time of the non-aged Scher-Montroll current. For strongly aged systems one can observe a constant current in the first regime while the others are dominated by decaying power laws with exponents $\alpha -1$, $-\alpha$, and $-1-\alpha$. The ageing regimes are the 1st and 3rd one, while the classical regimes are the 2nd and the 4th. I have verified the theory using numerical integration of the exact integrals and applied the new results to experimental data.

In the third part I considered a single file of subdiffusing particles in an energy landscape. Every occupied site of the landscape acts as a boundary, from which a particle is immediately reflected to its previous site, if it tries to jump there. I have analysed the effects single-file diffusion a quenched landscape compared to an annealed landscape and I have related these results to the number of steps and related quantities. The diffusion changes from ultraslow logarithmic diffusion in the annealed or CTRW case to subdiffusion with an anomalous exponent $\alpha/(1+\alpha)$ in the quenched landscape. The behavior is caused by the forward waiting time, which changes drastically from the quenched to the annealed case. Single-file effects in the quenched landscape are even more complicated to consider in the ensemble average, since the diffusion in individual landscapes shows extremely diverse behavior. Extensive simulations support my theoretical arguments, which consider mainly the long time evolution of the mean square displacement of a bulk particle.
KW  - continuous time random walk
KW  - quenched energy landscape
KW  - first passage time
KW  - Scher-Montroll transport
KW  - single-file motion
KW  - Zufallsbewegung
KW  - Diffusion
KW  - eingefrorene Energielandschaft
KW  - Scher-Montroll Transport
KW  - Wartezeitverteilung
Y1  - 2016
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