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 - 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 - 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 ER - TY - THES A1 - Berner, Nadine T1 - Deciphering multiple changes in complex climate time series using Bayesian inference T1 - Bayes'sche Inferenz als diagnostischer Ansatz zur Untersuchung multipler Übergänge in komplexen Klimazeitreihen N2 - Change points in time series are perceived as heterogeneities in the statistical or dynamical characteristics of the observations. Unraveling such transitions yields essential information for the understanding of the observed system’s intrinsic evolution and potential external influences. A precise detection of multiple changes is therefore of great importance for various research disciplines, such as environmental sciences, bioinformatics and economics. The primary purpose of the detection approach introduced in this thesis is the investigation of transitions underlying direct or indirect climate observations. In order to develop a diagnostic approach capable to capture such a variety of natural processes, the generic statistical features in terms of central tendency and dispersion are employed in the light of Bayesian inversion. In contrast to established Bayesian approaches to multiple changes, the generic approach proposed in this thesis is not formulated in the framework of specialized partition models of high dimensionality requiring prior specification, but as a robust kernel-based approach of low dimensionality employing least informative prior distributions. First of all, a local Bayesian inversion approach is developed to robustly infer on the location and the generic patterns of a single transition. The analysis of synthetic time series comprising changes of different observational evidence, data loss and outliers validates the performance, consistency and sensitivity of the inference algorithm. To systematically investigate time series for multiple changes, the Bayesian inversion is extended to a kernel-based inference approach. By introducing basic kernel measures, the weighted kernel inference results are composed into a proxy probability to a posterior distribution of multiple transitions. The detection approach is applied to environmental time series from the Nile river in Aswan and the weather station Tuscaloosa, Alabama comprising documented changes. The method’s performance confirms the approach as a powerful diagnostic tool to decipher multiple changes underlying direct climate observations. Finally, the kernel-based Bayesian inference approach is used to investigate a set of complex terrigenous dust records interpreted as climate indicators of the African region of the Plio-Pleistocene period. A detailed inference unravels multiple transitions underlying the indirect climate observations, that are interpreted as conjoint changes. The identified conjoint changes coincide with established global climate events. In particular, the two-step transition associated to the establishment of the modern Walker-Circulation contributes to the current discussion about the influence of paleoclimate changes on the environmental conditions in tropical and subtropical Africa at around two million years ago. N2 - Im Allgemeinen stellen punktuelle Veränderungen in Zeitreihen (change points) eine Heterogenität in den statistischen oder dynamischen Charakteristika der Observablen dar. Das Auffinden und die Beschreibung solcher Übergänge bietet grundlegende Informationen über das beobachtete System hinsichtlich seiner intrinsischen Entwicklung sowie potentieller externer Einflüsse. Eine präzise Detektion von Veränderungen ist daher für die verschiedensten Forschungsgebiete, wie den Umweltwissenschaften, der Bioinformatik und den Wirtschaftswissenschaften von großem Interesse. Die primäre Zielsetzung der in der vorliegenden Doktorarbeit vorgestellten Detektionsmethode ist die Untersuchung von direkten als auch indirekten Klimaobservablen auf Veränderungen. Um die damit verbundene Vielzahl an möglichen natürlichen Prozessen zu beschreiben, werden im Rahmen einer Bayes’schen Inversion die generischen statistischen Merkmale Zentraltendenz und Dispersion verwendet. Im Gegensatz zu etablierten Bayes’schen Methoden zur Analyse von multiplen Übergängen, die im Rahmen von Partitionsmodellen hoher Dimensionalität formuliert sind und die Spezifikation von Priorverteilungen erfordern, wird in dieser Doktorarbeit ein generischer, Kernel-basierter Ansatz niedriger Dimensionalität mit minimal informativen Priorverteilungen vorgestellt. Zunächst wird ein lokaler Bayes’scher Inversionsansatz entwickelt, der robuste Rückschlüsse auf die Position und die generischen Charakteristika einer einzelnen Veränderung erlaubt. Durch die Analyse von synthetischen Zeitreihen die dem Einfluss von Veränderungen unterschiedlicher Signifikanz, Datenverlust und Ausreißern unterliegen wird die Leistungsfähigkeit, Konsistenz und Sensitivität der Inversionmethode begründet. Um Zeitreihen auch auf multiple Veränderungen systematisch untersuchen zu können, wird die Methode der Bayes’schen Inversion zu einem Kernel-basierten Ansatz erweitert. Durch die Einführung grundlegender Kernel-Maße können die Kernel-Resultate zu einer gewichteten Wahrscheinlichkeit kombiniert werden die als Proxy einer Posterior-Verteilung multipler Veränderungen dient. Der Detektionsalgorithmus wird auf reale Umweltmessreihen vom Nil-Fluss in Aswan und von der Wetterstation Tuscaloosa, Alabama, angewendet, die jeweils dokumentierte Veränderungen enthalten. Das Ergebnis dieser Analyse bestätigt den entwickelten Ansatz als eine leistungsstarke diagnostische Methode zur Detektion multipler Übergänge in Zeitreihen. Abschließend wird der generische Kernel-basierte Bayes’sche Ansatz verwendet, um eine Reihe von komplexen terrigenen Staubdaten zu untersuchen, die als Klimaindikatoren der afrikanischen Region des Plio-Pleistozän interpretiert werden. Eine detaillierte Untersuchung deutet auf multiple Veränderungen in den indirekten Klimaobservablen hin, von denen einige als gemeinsame Übergänge interpretiert werden. Diese gemeinsam auftretenden Ereignisse stimmen mit etablierten globalen Klimaereignissen überein. Insbesondere der gefundene Zwei-Stufen-Übergang, der mit der Ausbildung der modernen Walker-Zirkulation assoziiert wird, liefert einen wichtigen Beitrag zur aktuellen Diskussion über den Einfluss von paläoklimatischen Veränderungen auf die Umweltbedingungen im tropischen und subtropischen Afrika vor circa zwei Millionen Jahren. KW - kernel-based Bayesian inference KW - multi-change point detection KW - direct and indirect climate observations KW - Plio-Pleistocene KW - (sub-) tropical Africa KW - terrigenous dust KW - kernel-basierte Bayes'sche Inferenz KW - Detektion multipler Übergänge KW - direkte und indirekte Klimaobservablen KW - Plio-Pleistozän KW - (sub-) tropisches Afrika KW - terrigener Staub Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-100065 ER - TY - THES A1 - Soriano, Manuel Flores T1 - Short-term evolution and coexistence of photospheric and chromospheric activity on LQ Hydrae Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Daschewski, Maxim T1 - Thermophony in real gases T1 - Das Thermophon BT - theory and applications BT - Theorie und Anwendung N2 - A thermophone is an electrical device for sound generation. The advantages of thermophones over conventional sound transducers such as electromagnetic, electrostatic or piezoelectric transducers are their operational principle which does not require any moving parts, their resonance-free behavior, their simple construction and their low production costs. In this PhD thesis, a novel theoretical model of thermophonic sound generation in real gases has been developed. The model is experimentally validated in a frequency range from 2 kHz to 1 MHz by testing more then fifty thermophones of different materials, including Carbon nano-wires, Titanium, Indium-Tin-Oxide, different sizes and shapes for sound generation in gases such as air, argon, helium, oxygen, nitrogen and sulfur hexafluoride. Unlike previous approaches, the presented model can be applied to different kinds of thermophones and various gases, taking into account the thermodynamic properties of thermophone materials and of adjacent gases, degrees of freedom and the volume occupied by the gas atoms and molecules, as well as sound attenuation effects, the shape and size of the thermophone surface and the reduction of the generated acoustic power due to photonic emission. As a result, the model features better prediction accuracy than the existing models by a factor up to 100. Moreover, the new model explains previous experimental findings on thermophones which can not be explained with the existing models. The acoustic properties of the thermophones have been tested in several gases using unique, highly precise experimental setups comprising a Laser-Doppler-Vibrometer combined with a thin polyethylene film which acts as a broadband and resonance-free sound-pressure detector. Several outstanding properties of the thermophones have been demonstrated for the first time, including the ability to generate arbitrarily shaped acoustic signals, a greater acoustic efficiency compared to conventional piezoelectric and electrostatic airborne ultrasound transducers, and applicability as powerful and tunable sound sources with a bandwidth up to the megahertz range and beyond. Additionally, new applications of thermophones such as the study of physical properties of gases, the thermo-acoustic gas spectroscopy, broad-band characterization of transfer functions of sound and ultrasound detection systems, and applications in non-destructive materials testing are discussed and experimentally demonstrated. N2 - Ein Thermophon ist ein elektrisches Gerät zur Schallerzeugung. Aufgrund der fehlenden beweglichen Teile verfügen Thermophone über mehrere Vorteile gegenüber den herkömmlichen elektromagnetischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Schallwandlern. Besonders bemerkenswert sind das resonanz- und nachschwingungsfreie Verhalten, die einfache Konstruktion und die niedrigen Herstellungskosten. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein neuartiges theoretisches Modell der thermophonischen Schallerzeugung in Gasen entwickelt und experimentell verifiziert. Zur Validierung des Modells wurden mehr als fünfzig Thermophone unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien, darunter Kohlenstoff-Nanodrähte, Titan und Indium-Zinnoxid zur Erzeugung von Schall in Gasen wie Luft, Argon, Helium, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefelhexafluorid in einem Frequenzbereich von 2 kHz bis 1 MHz eingesetzt. Das präsentierte Modell unterscheidet sich von den bisherigen Ansätzen durch seine hohe Flexibilität, wobei die thermodynamischen Eigenschaften des Thermophons und des umgebenden Gases, die Freiheitsgrade und das Eigenvolumen der Gasatome und Moleküle, die Schallschwächungseffekte, die Form und Größe des Thermophons, sowie die Verringerung der erzeugten akustischen Leistung aufgrund der Photonenemission berücksichtigt werden. Infolgedessen zeigt das entwickelte Modell eine um bis zu einem Faktor 100 höhere Vorhersagegenauigkeit als die bisher veröffentlichten Modelle. Das präsentierte Modell liefert darüber hinaus eine Erklärung zu den Ergebnissen aus den Vorarbeiten, die von den bisherigen Modellen nicht abschließend geklärt werden konnten. Die akustischen Eigenschaften der Thermophone wurden unter Verwendung von einzigartigen hochpräzisen Versuchsaufbauten getestet. Dafür wurde ein Laser-Doppler-Vibrometer in Kombination mit einer dünnen Polyethylenfolie verwendet, welche als breitbrandiger und resonanzfreier Schalldruckdetektor fungiert. Somit konnten mehrere herausragende akustische Eigenschaften der Thermophone zum ersten Mal demonstriert werden, einschließlich der Möglichkeit, beliebig geformte akustische Signale zu erzeugen, eine größere akustische Wirksamkeit im Vergleich zu herkömmlichen Luftultraschallwandlern und die Anwendbarkeit als leistungsfähige beliebig abstimmbare Schallquellen mit einer Bandbreite bis in den Megahertz-Bereich. Zusätzlich werden neue Anwendungen von Thermophonen wie die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Gasen, die thermoakustische Gasspektroskopie, eine breitbandige Charakterisierung der Übertragungsfunktionen von Schall- und Ultraschallmesssystemen und Anwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung demonstriert. KW - thermophone KW - thermoacoustics KW - thermoacoustic effect KW - photoacoustic effect KW - Thermophon KW - Thermoakustik KW - thermoakustischer Effekt KW - photoakustischer Effekt Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98866 ER - TY - THES A1 - Ruppert, Jan T1 - The Low-Mass Young Stellar Content in the Extended Environment of the Galactic Starburst Region NGC3603 Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Ata, Metin T1 - Phase-space reconstructions of cosmic velocities and the cosmic web T1 - Phasenraumrekonstruktionen kosmischer Geschwindigkeiten und des kosmischen Netzes BT - structure formation models - galaxy bias models - galaxy redshift surveys - inference analysis N2 - In the current paradigm of cosmology, the formation of large-scale structures is mainly driven by non-radiating dark matter, making up the dominant part of the matter budget of the Universe. Cosmological observations however, rely on the detection of luminous galaxies, which are biased tracers of the underlying dark matter. In this thesis I present cosmological reconstructions of both, the dark matter density field that forms the cosmic web, and cosmic velocities, for which both aspects of my work are delved into, the theoretical formalism and the results of its applications to cosmological simulations and also to a galaxy redshift survey.The foundation of our method is relying on a statistical approach, in which a given galaxy catalogue is interpreted as a biased realization of the underlying dark matter density field. The inference is computationally performed on a mesh grid by sampling from a probability density function, which describes the joint posterior distribution of matter density and the three dimensional velocity field. The statistical background of our method is described in Chapter ”Implementation of argo”, where the introduction in sampling methods is given, paying special attention to Markov Chain Monte-Carlo techniques. In Chapter ”Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations”, I introduce and implement a novel biasing scheme to relate the galaxy number density to the underlying dark matter, which I decompose into a deterministic part, described by a non-linear and scale-dependent analytic expression, and a stochastic part, by presenting a negative binomial (NB) likelihood function that models deviations from Poissonity. Both bias components had already been studied theoretically, but were so far never tested in a reconstruction algorithm. I test these new contributions againstN-body simulations to quantify improvements and show that, compared to state-of-the-art methods, the stochastic bias is inevitable at wave numbers of k≥0.15h Mpc^−1 in the power spectrum in order to obtain unbiased results from the reconstructions. In the second part of Chapter ”Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations” I describe and validate our approach to infer the three dimensional cosmic velocity field jointly with the dark matter density. I use linear perturbation theory for the large-scale bulk flows and a dispersion term to model virialized galaxy motions, showing that our method is accurately recovering the real-space positions of the redshift-space distorted galaxies. I analyze the results with the isotropic and also the two-dimensional power spectrum.Finally, in Chapter ”Phase-space Reconstructions with Galaxy Redshift Surveys”, I show how I combine all findings and results and apply the method to the CMASS (for Constant (stellar) Mass) galaxy catalogue of the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). I describe how our method is accounting for the observational selection effects inside our reconstruction algorithm. Also, I demonstrate that the renormalization of the prior distribution function is mandatory to account for higher order contributions in the structure formation model, and finally a redshift-dependent bias factor is theoretically motivated and implemented into our method. The various refinements yield unbiased results of the dark matter until scales of k≤0.2 h Mpc^−1in the power spectrum and isotropize the galaxy catalogue down to distances of r∼20h^−1 Mpc in the correlation function. We further test the results of our cosmic velocity field reconstruction by comparing them to a synthetic mock galaxy catalogue, finding a strong correlation between the mock and the reconstructed velocities. The applications of both, the density field without redshift-space distortions, and the velocity reconstructions, are very broad and can be used for improved analyses of the baryonic acoustic oscillations, environmental studies of the cosmic web, the kinematic Sunyaev-Zel’dovic or integrated Sachs-Wolfe effect. N2 - In der gegenwärtigen Anschauung der Kosmologie wird die Bildung von großräumigen Strukturen vor allem durch nicht strahlende, Dunkle Materie beeinflusst, die den überwiegenden Teil des Materieanteils des Universums ausmacht. Kosmologische Beobachtungen beruhen jedoch auf dem Nachweis von leuchtenden Galaxien, die gebiaste Indikatoren (biased tracer) der darunterliegenden Dunklen Materie sind. In dieser Arbeit präsentiere ich Rekonstruktionen des kosmischen Netzes der Dunklen Materie und kosmischer Geschwindigkeitsfelder. Beide Aspekte meiner Arbeit, der theoretische Formalismus und die Ergebnisse der Anwendungen sowohl auf kosmologische Simulationen als auch auf Galaxie-Rotverschiebungssurveys, weden detaiiert aufgeführt. Die Grundlage dieser Methode beruht auf einem statistischen Ansatz, bei dem ein gegebener Galaxienkatalog als eine Realisierung des darunter liegenden Dunklen Materiedichtefeldes interpretiert wird. Unsere Rekonstruktionen werden rechnerisch auf einem Gitter durch das Sampling einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion durchgeführt, die die gemeinsame a posteriori Wahrscheinlichkeit der Materiedichte und des dreidimensionalen Geschwindigkeitsfeldes beschreibt. Der statistische Hintergrund unserer Methode ist im Kapitel "Implantation of argo" beschrieben, wobei die Einführung in die Samplingmethoden unter besonderer Berücksichtigung der Markov-Kette-Monte-Carlo-Technik erfolgt. Im Kapitel "Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations" stelle ich ein neuartiges Biasmodell vor, welches die Galaxienanzahldichte mit der darunter liegenden Dunklen Materiedichte verknüpft. Diesen zerlege ich in einen deterministischen, nicht linearen und skalenabhängigen analytischen Teil und einen stochastischen Teil. Das letztere beschreibe ich durch einen Negativ-Binomial-Likelihood Ausdruck, welches die Abweichungen von Poissonität modelliert. Beide Biaskomponenten wurden bereits theoretisch untersucht, aber bisher noch nie in einem Rekonstruktionsalgorithmus getestet. Ich evaluiere diese neuen Beiträge mit $N$-Körper-Simulationen, um die Verbesserungen zu beurteilen und um zu zeigen, dass der stochastische Bias im Leistungsspektrum bei Wellenzahlen von k < 0.15 h Mpc^- 1 unabdingbar ist. Im zweiten Teil des Kapitels "Phase-Space Reconstructions with N-body Simulations" beschreibe und validiere ich unseren Ansatz, das kosmische Geschwindigkeitsfeld gemeinsam mit der Dunklen Materiedichte zu rekonstruieren. Ich verwende lineare Störungstheorie für die großräumigen Potentialströme und einen Dispersionsterm, um virialisierte Galaxiebewegungen zu modellieren. Die Ergebnisse zeigen, dass unsere Methode die Rotverschiebungsverzerrungen der Positionen der Galaxien genau beschreibt. Ich analysiere die Ergebnisse sowohl mit dem anisotropen Leistungsspektrum, als auch mit dem zweidimensionalen Leistungsspektrum. Schließlich zeige ich im Kapitel "Phase-space Reconstructions with Galaxy Redshift Surveys", wie ich alle Ergebnisse kombiniere und die Methode auf den CMASS (für Constant (stellar) Mass) Galaxienkatalog anwende. Ich beschreibe, wie unsere Methode die Selektionseffekte der Beobachtungen innerhalb des Rekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt. Weiterhin demonstriere ich, dass die Renormalisierung der a priori Verteilung zwingend erforderlich ist, um die Beiträge höherer Ordnung im Strukturbildungsmodell zu berücksichtigen. Außerdem wird ein rotverschiebungsabhängiger Bias-Faktor theoretisch motiviert und in unseren Algorithmus implementiert. Unsere Rekonstruktionen, welche diese verschiedenen Verfeinerungen beinhaten, führen zu robusten Ergebnissen hinsichtlich des Feldes der Dunklen Materie bis zu Skalen von k <0.2 Mpc^-1 im Leistungsspektrum. Außerdem werden Anisotropien in dem rekonstruierten Galaxienkatalog bis zu Abständen von r~20 h^-1 Mpc in der Korrelationsfunktion zu einem hohen Grad überwunden. Wir testen die Ergebnisse unserer kosmischen Geschwindigkeitsrekonstruktion, indem wir sie mit einem synthetischen Mock-Galaxienkatalog vergleichen und bestätigen eine starke Korrelation zwischen den Mock- und den rekonstruierten Geschwindigkeiten. Die Anwendungen sowohl des Dichtefeldes ohne Rotverschiebungsverzerrungen als auch der Geschwindigkeitsrekonstruktionen sind sehr vielfältig und können für verbesserte Analysen der baryonischen akustischen Oszillationen, Umgebungsstudien des kosmischen Netzes, des kinematischen Sunjajew-Seldowitsch-Effekts oder des integrierten Sachs-Wolfe-Effekts verwendet werden. KW - large-scale structure formation KW - großräumige Strukturen KW - Kosmologie KW - Theorie KW - cosmology KW - theory Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-403565 ER - TY - THES A1 - Wenz, Leonie T1 - Climate change impacts in an increasingly connected world Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Sauter, Jörg T1 - The molecular origin of plant cell wall swelling N2 - In dieser Arbeit werden die Eigenschaften von hydratisierten Hemicellulose Polysacchariden mittels Computersimulation untersucht. Die hohe Quellfähigkeit von Materialien die aus diesen Molekülen bestehen, erlaubt die Erzeugung von zielgerichteter Bewegung in Planzenmaterialien, ausschließlich gesteuert durch Wasseraufnahme. Um den molekularen Ursprung dieses Quellvermögens zu untersuchen wird, im Vergleich mit Experimenten, ein atomistisches Modell für Hemicellulose Polysaccharide entwickelt und getestet. Unter Verwendung dieses Modells werden Simulationen von kleinen Polysacchariden benutzt um die Wechselwirkungen mit Wasser, den Einfluss von Wasser auf die Konformationsfreiheit der Moleküle, und die Quellfähigkeit, quantifiziert durch den osmotischen Druck, zu verstehen. Es wird gezeigt, dass verzweigte und lineare Polysaccharide unterschiedliche Hydratisierungseingenschaften im Vergleich zu lineare Polysacchariden aufweisen. Um das Quellverhalten auf Längen- und Zeitskalen untersuchen zu können die über die Begrenzungen atomistischer Simulationen hinausgehen, wurde eine Prozedur entwickelt um übertragbare vergröberte Modelle herzuleiten. Die Übertragbarkeit der vegröberten Modelle wird gezeigt, sowohl über unterschiedliche Polysaccharidkonzentrationen als auch über unterschiedliche Polymerlängen. Daher erlaubt die Prozedur die Konstruktion von großen vergröberter Systemen ausgehend von kleinen atomistischen Referenzsystemen. Abschließend wird das vergröberte Modell verwendet um zu zeigen, dass lineare und verzweigte Polysaccharide ein unterschiedliches Quellverhalten aufweisen, wenn sie mit einem Wasserbad gekoppelt werden. N2 - In this Thesis, the properties of aqueous hemicellulose polysaccharides are investigated using computer simulations. The high swelling capacity of materials composed of these molecules allows the generation of directed motion in plant materials entirely controlled by water uptake. To explore the molecular origin of this swelling capacity, a computational model with atomistic resolution for hemicellulose polysaccharides is build and validated in comparison with experiments. Using this model, simulations of small polysaccharides are employed to gain an understanding of the interactions of these molecules with water, the influence of water on their conformational freedom, and the swelling capacity quantified in terms of osmotic pressure. It is revealed that the branched hemicellulose polysaccharides show different hydration characteristics compared to linear polysaccharides. To study swelling properties on length and time scales that exceed the limitations imposed by atomistic simulations, a procedure to obtain transferable coarse-grain models is developed. The transferability of the coarse-grain models over both different degrees of polymerization as well as different solute concentrations is demonstrated. Therefore, the procedure allows the construction of large coarse-grained systems based on small atomistic reference systems. Finally, the coarse-grain model is applied to demonstrate that linear and branched polysaccharides show a different swelling behavior when coupled to a water bath. Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Schrön, Martin T1 - Cosmic-ray neutron sensing and its applications to soil and land surface hydrology T1 - Neutronen aus kosmischer Strahlung und deren Anwendung für Boden- und Landoberflächen-Hydrologie BT - on neutron physics, method development, and soil moisture estimation across scales N2 - Water scarcity, adaption on climate change, and risk assessment of droughts and floods are critical topics for science and society these days. Monitoring and modeling of the hydrological cycle are a prerequisite to understand and predict the consequences for weather and agriculture. As soil water storage plays a key role for partitioning of water fluxes between the atmosphere, biosphere, and lithosphere, measurement techniques are required to estimate soil moisture states from small to large scales. The method of cosmic-ray neutron sensing (CRNS) promises to close the gap between point-scale and remote-sensing observations, as its footprint was reported to be 30 ha. However, the methodology is rather young and requires highly interdisciplinary research to understand and interpret the response of neutrons to soil moisture. In this work, the signal of nine detectors has been systematically compared, and correction approaches have been revised to account for meteorological and geomagnetic variations. Neutron transport simulations have been consulted to precisely characterize the sensitive footprint area, which turned out to be 6--18 ha, highly local, and temporally dynamic. These results have been experimentally confirmed by the significant influence of water bodies and dry roads. Furthermore, mobile measurements on agricultural fields and across different land use types were able to accurately capture the various soil moisture states. It has been further demonstrated that the corresponding spatial and temporal neutron data can be beneficial for mesoscale hydrological modeling. Finally, first tests with a gyrocopter have proven the concept of airborne neutron sensing, where increased footprints are able to overcome local effects. This dissertation not only bridges the gap between scales of soil moisture measurements. It also establishes a close connection between the two worlds of observers and modelers, and further aims to combine the disciplines of particle physics, geophysics, and soil hydrology to thoroughly explore the potential and limits of the CRNS method. N2 - Wasserknappheit, Anpassung an Klimaveränderungen, und Gefahrenabschätzungen von Dürren und Fluten sind heutzutage dringende Themen für Forschung und Gesellschaft. Vorallem um die Auswirkungen auf Wetter und Landwirtschaft zu verstehen und vorherzusagen, ist es wichtig, den Wasserkreislauf der Erde zu beobachten und zu simulieren. In diesem System spielt Bodenfeuchte eine Schlüsselrolle, welche den Wasseraustausch zwischen Boden, Luft, und Pflanzen bestimmt. Daher sind ausgeklügelte Messtechnologien erforderlich, welche Bodenfeuchte von kleinen Ackerschlägen bis hin zu großen Gebieten erfassen können. Die neuartige Methode, Neutronen aus kosmischer Strahlung zu messen (CRNS), ist eine vielversprechende Technologie um die Lücke zwischen Punktmessungen und Fernerkundungen zu schließen, da der Einflussbereich des Sensors bei ca. 30 ha liegen soll. Allerdings ist intensive interdisziplinäre Forschung nötig, um die Beziehung zwischen Neutronen und Bodefeuchte zu verstehen. In dieser Arbeit wurden erstmals verschiedene Sensoren systematisch miteinander verglichen, und die bisherigen Korrekturen für meteorologische und geomagnetische Einflüsse näher untersucht. Darüber hinaus wurden Simulationen der Neutronenphysik herangezogen, um den Einflussbereich des Sensors genauestens zu charakterisieren. Demnach ist der Sensor je nach Umgebungsfeuchte hauptsächlich in der Fläche von ca. 6--18 ha, sowie besonders im Nahbereich, sensitiv. Diese Resultate konnten durch Experimente nahe Gewässern und Straßen bestätigt werden. Dennoch ist die Methode nachwievor sehr gut in der Lage, die Bodenfeuchte in Ackerflächen, Grasland und auch Wäldern zu erfassen. Zudem wurde gezeigt, dass sich die räumlichen und zeitlichen Neutronen-Daten gut für die hydrologische Modellierung eignen. Abschließend wurde eine neue Möglichkeit untersucht, um Neutronen aus der Luft mit einem Traghubschrauber in noch größeren Gebieten zu messen. Diese Dissertation untersucht die CRNS-Methode auf verschiedenen Skalen, und verknüpft dabei Beobachtung mit Modellierung. Außerdem verbindet diese Arbeit die verschiedenen Disziplinen der Teilchenphysik, Geophysik, und Bodenhydrologie, um das Potential und die Grenzen der Methode ganzheitlich zu beurteilen. KW - soil moisture KW - hydrology KW - cosmic rays KW - neutrons KW - water monitoring KW - Bodenfeuchte KW - Hydrologie KW - kosmische Strahlung KW - Neutronen KW - Wasser-Monitoring Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395433 SN - 978-3-8439-3139-7 PB - Verlag Dr. Hut GmbH CY - München ER - TY - THES A1 - Pavlenko, Elena T1 - Hybrid nanolayer architectures for ultrafast acousto-plasmonics in soft matter T1 - Hybride Nanolayer-Architekturen für ultraschnelle Akusto-Plasmonics in weicher Materie N2 - The goal of the presented work is to explore the interaction between gold nanorods (GNRs) and hyper-sound waves. For the generation of the hyper-sound I have used Azobenzene-containing polymer transducers. Multilayer polymer structures with well-defined thicknesses and smooth interfaces were built via layer-by-layer deposition. Anionic polyelectrolytes with Azobenzene side groups (PAzo) were alternated with cationic polymer PAH, for the creation of transducer films. PSS/PAH multilayer were built for spacer layers, which do not absorb in the visible light range. The properties of the PAzo/PAH film as a transducer are carefully characterized by static and transient optical spectroscopy. The optical and mechanical properties of the transducer are studied on the picosecond time scale. In particular the relative change of the refractive index of the photo-excited and expanded PAH/PAzo is Δn/n = - 2.6*10‐4. Calibration of the generated strain is performed by ultrafast X-ray diffraction calibrated the strain in a Mica substrate, into which the hyper-sound is transduced. By simulating the X-ray data with a linear-chain-model the strain in the transducer under the excitation is derived to be Δd/d ~ 5*10‐4. Additional to the investigation of the properties of the transducer itself, I have performed a series of experiments to study the penetration of the generated strain into various adjacent materials. By depositing the PAzo/PAH film onto a PAH/PSS structure with gold nanorods incorporated in it, I have shown that nanoscale impurities can be detected via the scattering of hyper-sound. Prior to the investigation of complex structures containing GNRs and the transducer, I have performed several sets of experiments on GNRs deposited on a small buffer of PSS/PAH. The static and transient response of GNRs is investigated for different fluence of the pump beam and for different dielectric environments (GNRs covered by PSS/PAH). A systematic analysis of sample architectures is performed in order to construct a sample with the desired effect of GNRs responding to the hyper-sound strain wave. The observed shift of a feature related to the longitudinal plasmon resonance in the transient reflection spectra is interpreted as the event of GNRs sensing the strain wave. We argue that the shift of the longitudinal plasmon resonance is caused by the viscoelastic deformation of the polymer around the nanoparticle. The deformation is induced by the out of plane difference in strain in the area directly under a particle and next to it. Simulations based on the linear chain model support this assumption. Experimentally this assumption is proven by investigating the same structure, with GNRs embedded in a PSS/PAH polymer layer. The response of GNRs to the hyper-sound wave is also observed for the sample structure with GNRs embedded in PAzo/PAH films. The response of GNRs in this case is explained to be driven by the change of the refractive index of PAzo during the strain propagation. N2 - Akustische Experimente auf ultraschnellen Zeitskalen ermöglichen die Bestimmung von Tiefeninformationen in Dünnschichtproben. Der Grundgedanke dieser Methode ist die Analyse von Schallwellen, die sich in dem zu untersuchenden Material ausbreiten. Die Schallpulse werden dabei üblicherweise mittels dünner Schichten erzeugt, die dafür auf die Probe aufgebracht werden. Diese Methode ist etabliert für die Untersuchung von harten, anorganischen Materialien, aber weniger entwickelt für weiche, organische Materialien. Die wenigen existierenden Untersuchungen von weichen Materialien mittels ultraschneller Akustik nutzen bisher die Ausdehnung dünner Metallfilme, beispielsweise aus Aluminium oder Titan, für den Umwandlungsprozess von kurzen Lichtpulsen zu Schallwellen. Die deutlich höheren Dichten der Metalle gegenüber der zu untersuchenden weichen Materie führen zu einer geringen Effizienz bei der Einkopplung der Schallpulse in das Material. Weiterhin ist es schwierig, die Metallfilme auf die zu untersuchenden Materialien chemisch aufzubringen. Eine Möglichkeit diese Probleme zu umgehen, ist die Verwendung von Licht-Schallwandlern aus chemisch ähnlicher, weicher Materialien. Hier präsentiere ich die Ergebnisse meiner Untersuchungen von Polymer Filmen, welche Azobenzen als aktiven Bestandteil für die photo-akustische Umwandlung enthalten. Dabei wurden die Filme mittels statischer, sowie auch zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Mit zeitaufgelösten Brillouin-Streuungs-Experimenten habe ich die Schallgeschwindigkeit in den Polymeren und dem Azobenzen-Schallwandler zu 3.4±0.3 nm/ps bestimmt. Die relative transiente Änderung des Brechungsindex in dem Azobenzenfilm aus optischen Messungen beträgt Δn/n = - 2.6*10‐4. Die Untersuchung der Schallpropagation in verschiedenen Probengeometrien erlaubt es uns, Reflektionen der Schallwellen von verschiedenen Übergängen (Polymer/Quarz, Polymer/Luft) und die Ausbreitung der mechanischen Wellen in weiche (Polymere) und harte (Quarz) angrenzende Materialien zu studieren. Durch Untersuchungen an einer Probe mit Gold-Nano-Stäbchen innerhalb einer Polymerschicht habe ich die Möglichkeit aufgezeigt, die Tiefenposition der Nanopartikel zu bestimmen. Die Ausdehnung des photomechanischen Wandlers wurde mittels zeitaufgelöster Röntgenbeugung zu ε = Δd/d ̴ 5x10-4 bestimmt. Der zweite Teil der Doktorarbeit behandelt die Wechselwirkung von Schallwellen und Gold-Nano-Stäbchen (GNS). GNS werden oft in der Chemie und Biologie als plasmonische Marker eingesetzt. In den meisten Fällen werden die Teilchen dafür mit einer Hülle überzogen, um ihre Agglomeration zu unterdrücken oder um ihnen spezielle Sensoreigenschaften zu geben. Trotz ihrer häufigen Anwendung in teilweise sehr komplexen Geometrien sind die optischen und elastischen Eigenschaften der Hülle der Nanopartikel, sowie deren Wechselwirkung mit der Umgebung wenig erforscht. Um die Wechselwirkung zwischen GNS und Schallwellen zu untersuchen habe ich eine systematische Studie an verschiedenen Probenstrukturen unternommen. Dabei finden wir, dass die viskoelastische Verformung der Polymerhülle um die GNS von der unterschiedlichen Ausdehnung der Fläche unterhalb der Partikel und neben ihnen stammt. Diese Schlussfolgerung wird von einer Simulation ihrer Ausdehnungsdynamik unterstützt. Einen weiteren Beleg liefern Experimente bei denen die Verformung von Polymeren an der Oberfläche dadurch verringert wird, dass die Gold-Nano-Stäbchen mit einer zusätzlichen dünnen Polymerschicht bedeckt werden. KW - ultrafast dynamics KW - plasmonics KW - hypersound KW - azobenzene KW - ultrafast spectroscopy KW - ultraschnelle Dynamik KW - Pump-Probe Spektroskopie KW - Plasmonics KW - Gold-Nanopartikel KW - Azobenzene Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-99544 ER - TY - THES A1 - Bojahr, Andre T1 - Hypersound interaction studied by time-resolved inelastic light and x-ray scattering T1 - Wechselwirkende Hyperschallwellen untersucht mittels zeitaufgelöster inelastischer Licht- und Röntgenstreuung N2 - This publications-based thesis summarizes my contribution to the scientific field of ultrafast structural dynamics. It consists of 16 publications, about the generation, detection and coupling of coherent gigahertz longitudinal acoustic phonons, also called hypersonic waves. To generate such high frequency phonons, femtosecond near infrared laser pulses were used to heat nanostructures composed of perovskite oxides on an ultrashort timescale. As a consequence the heated regions of such a nanostructure expand and a high frequency acoustic phonon pulse is generated. To detect such coherent acoustic sound pulses I use ultrafast variants of optical Brillouin and x-ray scattering. Here an incident optical or x-ray photon is scattered by the excited sound wave in the sample. The scattered light intensity measures the occupation of the phonon modes. The central part of this work is the investigation of coherent high amplitude phonon wave packets which can behave nonlinearly, quite similar to shallow water waves which show a steepening of wave fronts or solitons well known as tsunamis. Due to the high amplitude of the acoustic wave packets in the solid, the acoustic properties can change significantly in the vicinity of the sound pulse. This may lead to a shape change of the pulse. I have observed by time-resolved Brillouin scattering, that a single cycle hypersound pulse shows a wavefront steepening. I excited hypersound pulses with strain amplitudes until 1% which I have calibrated by ultrafast x-ray diffraction (UXRD). On the basis of this first experiment we developed the idea of the nonlinear mixing of narrowband phonon wave packets which we call "nonlinear phononics" in analogy with the nonlinear optics, which summarizes a kaleidoscope of surprising optical phenomena showing up at very high electric fields. Such phenomena are for instance Second Harmonic Generation, four-wave-mixing or solitons. But in case of excited coherent phonons the wave packets have usually very broad spectra which make it nearly impossible to look at elementary scattering processes between phonons with certain momentum and energy. For that purpose I tested different techniques to excite narrowband phonon wave packets which mainly consist of phonons with a certain momentum and frequency. To this end epitaxially grown metal films on a dielectric substrate were excited with a train of laser pulses. These excitation pulses drive the metal film to oscillate with the frequency given by their inverse temporal displacement and send a hypersonic wave of this frequency into the substrate. The monochromaticity of these wave packets was proven by ultrafast optical Brillouin and x-ray scattering. Using the excitation of such narrowband phonon wave packets I was able to observe the Second Harmonic Generation (SHG) of coherent phonons as a first example of nonlinear wave mixing of nanometric phonon wave packets. N2 - Diese publikationsbasierte Dissertation fasst meinen Beitrag zum Forschungsgebiet der ultraschnellen Strukturdynamik zusammen. Diese Arbeit besteht aus 16 Publikationen aus den Bereichen der Erzeugung, Detektion und Kopplung von kohärenten Gigahertz longitudinal-akustischen Phononen, auch Hyperschallwellen genannt. Um solch hochfrequente Phononen zu erzeugen, werden Femtosekunden nahinfrarot Laserpulse benutzt, um Nanostrukturen auf einer ultraschnellen Zeitskala zu erhitzen. Die aufgeheizten Regionen der Nanostruktur dehnen sich aufgrund der hohen Temperatur aus und ein hochfrequenter Schallpuls wird generiert. Um solche akustischen Pulse zu detektieren benutze ich ultraschnelle Varianten der Brillouin- und Röntgenstreuung. Dabei wird ein einfallendes optisches oder Röntgenphoton an der erzeugten Schallwelle gestreut. Die gemessene Streuintensität ist hierbei ein Maß für die Besetzung einzelner Phononenzustände. Der zentrale Teil dieser Arbeit ist die Untersuchung von kohärenten Phonon-Wellenpaketen mit sehr hoher Amplitude. Diese Wellenpakete können sich nichtlinear verhalten, sehr ähnlich zu Flachwasserwellen bei denen nichtlineare Effekte in Form eines Aufsteilens der Wellenfronten oder der Existenz von Solitonen, bekannt als Tsunamis, äußern. Durch die hohe Amplitude der akustischen Wellenpakete können sich die akustischen Eigenschaften des Festkörpers in der Umgebung des Schallpulses signifikant ändern, welches sich dann in einer Formänderung des Schallpulses widerspiegelt. Ich konnte mittels zeitaufgelöster Brillouinstreuung das Aufsteilen der Wellenfronten eines Hyperschallpulses bestehend aus einem einzigen Oszillationszyklus beobachten. Hierbei wurden Hyperschallwellen mit einer Dehnungsamplitude von bis zu 1% angeregt, wobei ich diesen Wert mittels ultraschneller Röntgenbeugung kalibrieren konnte. Mit diesem ersten Experiment als Basis entwickelten wir die Idee der nichtlinearen Wellenmischung von schmalbandigen Phonon-Wellenpaketen unter dem Titel "nichtlineare Phononik" in Analogie zur nichtlinearen Optik, welche sich aus einer Reihe von verblüffenden optischen Phänomenen bei sehr hohen elektrischen Feldstärken zusammensetzt. Solche Phänomene sind z. B. die optische Frequenzverdopplung, das Vier-Wellen-Mischen oder Solitone. Nur sind im Falle von kohärenten Phononen die erzeugten Spektren sehr breitbandig, was die Untersuchung von spezifischen Phononen mit festem Impuls und definierter Frequenz fast unmöglich macht. Aus diesem Grund testete ich verschiedene Methoden um schmalbandige Phonon-Wellenpakete anzuregen, welche im Wesentlichen aus Phononen bestimmten Impulses und definierter Frequenz bestehen. Dafür wurden schließ lich epitaktisch auf ein dielektrisches Substrat aufgewachsene Metallfilme mit einen Laserpulszug angeregt. Hier sorgen die Lichtpulse für eine periodische Oszillation des Metalfilms, wobei die Anregefrequenz durch den inversen zeitlichen Abstand der Lichtpulse gegeben ist. Diese periodische Oszillation sendet dann ein Hyperschallwellenpaket eben dieser Frequenz ins Substrat. Die Monochromie dieser Wellenpakete konnte dabei mittels ultraschneller Brillouin- und Röntgenstreuung bestätigt werden. Durch die Benutzung dieser schmalbandigen Phonon-Wellenpakete war es mir möglich, die Frequenzverdopplung (SHG) von kohärenten Phononen zu beobachten, was ein erstes Beispiel für die nichtlineare Wellenmischung von nanometrischen Phonon-Wellenpaketen ist. KW - hypersound KW - nonlinear acoustics KW - ultrafast KW - Brillouin scattering KW - x-ray diffraction KW - self-steepening KW - second-harmonic generation KW - Phononen KW - Wechselwirkung KW - Anharmonizität KW - nichtlineare Wellenmischung KW - zweite Harmonische KW - Phononenstreuung KW - nichlineare Phononik Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93860 ER -