TY  - THES
A1  - Kornhuber, Kai
T1  - Rossby wave dynamics and changes in summertime weather extremes
T1  - Rossby Wellendynamik und Veränderungen von Extremwetter im Sommer
N2  - Extreme weather events like heatwaves and floods severely affect societies with impacts ranging from economic damages to losses in human lifes. Global warming caused by anthropogenic greenhouse gas emissions is expected to increase their frequency and intensity, particularly in the warm season. Next to these thermodynamic changes, climate change might also impact the large scale atmospheric circulation.Such dynamic changes might additionally act on the occurence of extreme weather events, but involved mechanisms are often highly non-linear. Therefore, large uncertainty exists on the exact nature of these changes and the related risks to society. Particularly in the densely populated mid-latitudes weather patterns are governed by the large scale circulation like the jet-streams and storm tracks. Extreme weather in this region is often related to persistent weather systems associated with a strongly meandering jet-stream. Such meanders are called Rossby waves. Under specific conditions they can become slow moving, stretched around the entire hemisphere and generate simultaneaous heat- and rainfall extremes in far-away regions.
This thesis aims at enhancing the understanding of synoptic-scale, circumglobal Rossby waves and the associated risks of dynamical changes to society. More specific, the analyses investigate their relation to extreme weather, regions at risk, under which conditions they are generated, and the influence of anthropogenic climate change on those conditions now, in the past and in the future.
I find that circumglobal Rossby waves promoted simultaneous occuring weather extremes across the northern hemisphere in several recent summers. Further, I present evidence that they are often linked to quasiresonant-amplification of planetary waves. These events include the 2003 European heatwave and the Moscow heatwave of 2010. This non-linear mechanism acts on the upper level flow through trapping and amplification of stationary synoptic scale waves. I show that this resonance mechanism acts in both hemispheres and is related to extreme weather. A main finding is that circumglobal Rossby waves primarily occur as two specific teleconnection patterns associated with a wave 5 and wave 7 pattern in the northern hemisphere, likely due to the favourable longitudinal distance of prominent mountain ridges here. Furthermore, I identify those regions which are particularly at risk: The central United States, western Europe and the Ukraine/Russian region. Moreover, I present evidence that the wave 7 pattern has and extreme weather in these regions. My results suggest that the increase in frequency can be linked to favourable changes in large scale temperature gradients, which I show to be largely underestimated by model simulations. Using surface temperature fingerprint as proxy for investigating historic and future model ensembles, evidence is presented that anthropogenic warming has likely increased the probability for the occurence of circumglobal Rossby waves. Further it is shown that this might lead to a doubling of such events until the end of the century under a high-emission scenario.
Overall, this thesis establishes several atmosphere-dynamical pathways by which changes in large scale temperature gradients might link to persistent boreal summer weather. It highlights the societal risks associated with the increasing occurence of a newly discovered Rossby wave teleconnection pattern, which has the potential to cause simultaneaous heat-extremes in the mid-latitudinal bread-basket regions. In addition, it provides further evidence that the traditional picture by which quasi-stationary Rossby waves occur only in the low wavenumber regime, should be reconsidered.
N2  - Extreme Wetterereignisse haben oft katastrophale Folgen für Menschen und Umwelt. Die zuletzt beobachtete Zunahme von Hitzewellen und Überschwemmungen im Sommer lässt sich zum Teil mit dem Klimawandel, verursacht durch den Ausstoß von Treibhausgasen aus fossilen Brennstoffen, erkären. Allerdings übetrafen einige Extremereignisse der jüngeren Vergangenheit in ihrer Intensität, das was allein durch die Erwärmung im globalen Mittel zu erwarten wäre. Der Klimawandel wirkt sich ebenfalls auf die atmosphärische Zirkulation, wie beispielsweise den Jetstream aus. Es wird hier vermutet, dass Änderungen in der Dynamik Extrem-Ereignisse verstärken, indem sie beispielsweise langanhaltender werden. Allerdings sind die entsprechenden Mechanismen komplex und stark nicht-linear, was die Unsicherheiten in Bezug auf zuünftige Risiken vergrößert. Ein Mechanismus der mit extremen Wetter in den mittleren Breiten in Verbindung gebracht wurde, ist ein stark mäandernder Jet-Stream. Dieser führt zu ungewöhnlichen Temperaturen in den mittleren Breiten weile dies Mänder, genannt Rossby-Wellen, den Transport von ungewöhnlich warmer beziehungsweise kalter Luft entlang der Breiten erlauben. Unter bestimmten Bedingungen erstrecken sich diese Rossby Wellen über die gesamte Hemisphäre und führen zum synchronen auftreten von Wetterextremen entlang den mittleren Breiten. Extreme treten insbesondere dann auf wenn sie lang über bestimmten Regionen verharren.
Diese Dissertation erforscht den Zusammenhang dieser quasi-stationären Rossby-Wellen und Wetter-Extremen: In welchem Maße können diese durch Rossby-Wellen erklärt werden, welche Regionen sind besonders betroffen und welchen Bedingungen sind für ihr Entstehen förderlich und wie wirkt sich der Klimawandel auf diese Bedingungen aus?
Ich zeige, dass einige der verheerendsten Wetterextreme der jüngeren Vergangenheit durch hemisphärische Rossby-Wellenmuster erzeugt wurden und dass diese zumeist synchron mit anderen ungewöhnlichen Wettersituationen in den mittleren Breiten auftraten. Desweiteren zeige ich, dass einige dieser Ereignisse mit dem resonanten Aufschaukeln einiger Wellenkomponenten erklärt werden könnnen (engl. Quasi-resonant Amplification of Planetary Waves, kurz: QRA). Diesem nicht-linearen Mechanismus zufolge verhindert ein starker Jet, dass bestimmte Wellen ihre Energie in Richung Äquator oder Pol verlieren und so förmlich in den mittleren Breiten gefangen werden. Diese Wellen können dann resonant mit dem stationären thermischen und orographischen Störungen interagieren und gewinnen so an Intensität. Ich zeige, dass dieser Mechanismus sowohl in der Nord- als auch in der Südhemisphäre wirkt. Desweiteren zeige ich, dass die Rossby-Wellen in der Nordhemisphäre als zwei wiederkehrende örtlich festgelegte Wellenmuster, charakterisiert durch Welle 5 und Welle 7, auftreten. Dies erkläre ich mit dem relativen Abstand markanter Gebirgskämme entlang der Längengrade in den mittleren Breiten. Dieses Ergebnis ermöglicht es jene Regionen zu identifizieren, welche während solcher Ereignisse besonders gefährdet sind: das Zentrum der USA, Westeuropa und die Region Ukraine / Russland. Ich zeige, dass das Welle-7-Muster in den letzten Jahrzehnten in seiner Häufigkeit zugenommen hat, was die beobachtete Zunahme von extremen Wetter in diesen Regionen erklären könnte. Diese Zunahme führe ich auf die Veränderungen der groß-skaligen Temperaturgradienten entlang der Längen und Breitengrade zurück. Ich zeige zudem, dass diese Veränderungen durch Modelle weitestgehend unterschätzt werden. Über ein charakteristisches Temperaturprofil als Proxy untersuchen wir Modeldaten von historische und Projektionen. Diese Analyse zeigt, dass die anthropogene Erwärmung mit einiger Wahrscheinlichkeit die Bedingungen für die erzeugung solcher Rossby-Wellen verändert hat. Desweiteren kommt es unter der Annahme ungestoppter Emissionen vermutlich zu einer Verdopplung dieser Ereignisse führen zum Ende des Jahrhunderts.
In dieser Dissertation zeige ich auf wie die Veränderung großskaliger Oberflächen-Temperatur-Gradienten mit dem vermehrten Aufkommen langanhaltender und oft extremen Wetterereignisse zusammenhängt. Ich indentifiziere die Regionen, die durch das Welle 7 Muster besonders gefärdet sind. Desweiteren, geben meine Ergebnisse weitere Hinweise darauf, dass die traditionell Sicht, aus der quasi-stationäre-Rossby-Wellen nur in Form von niedrigen Wellenzahlen vorkommen, überdacht werden muss.
KW  - Telekonnektionen
KW  - Atmosphärendynamik
KW  - Jetstream
KW  - Klimawandel
KW  - Hitzewellen
KW  - teleconnections
KW  - atmosphere dynamics
KW  - jet stream
KW  - climate change
KW  - heatwaves
Y1  - 2017
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TY  - THES
A1  - Kiani Alibagheri, Bahareh
T1  - On structural properties of magnetosome chains
T1  - Auf strukturellen Eigenschaften von Magnetosomenketten
N2  - Magnetotaktische Bakterien besitzen eine intrazelluläre Struktur, die Magnetosomenkette genannt wird. Magnetosomenketten enthalten Nanopartikel von Eisenkristallen, die von einer Membran umschlossen und entlang eines Zytoskelettfilaments ausgerichtet sind. Dank der Magnetosomenkette ist es magnetotaktischen Bakterien möglich sich in Magnetfeldern auszurichten und entlang magnetischer Feldlinien zu schwimmen. Die ausführliche Untersuchung der strukturellen Eigenschaften der Magnetosomenkette in magnetotaktischen Bakterien sind von grundlegendem wissenschaftlichen Interesse, weil sie Einblicke in die Anordnung des Zytoskeletts von Bakterien erlauben. In dieser Studie haben wir ein neues theoretisches Modell entwickelt, dass sich dazu eignet, die strukturellen Eigenschaften der Magnetosomenketten in magnetotaktischen Bakterien zu erforschen.
Zuerst wenden wir uns der Biegesteifigkeit von Magnetosomenketten zu, die von zwei Faktoren beeinflusst wird: Die magnetische Wechselwirkung der Magnetosomenpartikel und der Biegesteifigkeit des Zytoskelettfilaments auf welchem die Magnetosome verankert sind. Unsere Analyse zeigt, dass sich die lineare Konfiguration von Magnetosomenpartikeln ohne die Stabilisierung durch das Zytoskelett zu einer ringörmigen Struktur biegen würde, die kein magnetisches Moment aufweist und daher nicht die Funktion eines Kompass in der zellulären Navigation einnehmen könnte. Wir schlussfolgern, dass das Zytoskelettfilament eine stabilisierende Wirkung auf die lineare Konfiguration hat und eine ringförmige Anordnung verhindert.
Wir untersuchen weiter die Gleichgewichtskonfiguration der Magnetosomenpartikel in einer linearen Kette und in einer geschlossenen ringförmigen Struktur. Dabei beobachteten wir ebenfalls, dass für eine stabile lineare Anordnung eine Bindung an ein Zytoskelettfilament notwendig ist. In einem externen magnetischen Feld wird die Stabilität der Magnetosomenketten durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung, über die Steifheit und die Bindungsenergie der Proteinstruktur, die die Partikel des Magnetosomen mit dem Filament verbinden, erreicht. Durch Beobachtungen während und nach der Behandlung einer Magnetosomenkette mit einem externen magnetischen Feld, lässt sich begründen, dass die Stabilisierung von Magnetosomenketten durch Zytoskelettfilamente über proteinhaltige Bindeglieder und die dynamischen Eigenschaften dieser Strukturen realisiert wird.
Abschließend wenden wir unser Modell bei der Untersuchung von ferromagnetischen Resonanz-Spektren von Magnetosomenketten in einzelnen Zellen von magnetotaktischen Bakterien an. Wir erforschen den Effekt der magnetokristallinen Anistropie in ihrer dreifach-Symmetrie, die in ferromagnetischen Ressonanz Spektren beobachtet wurden und die Besonderheit von verschiedenen Spektren, die bei Mutanten dieser Bakterien auftreten.
N2  - Magnetotactic bacteria possess an intracellular structure called the magnetosome chain. Magnetosome chains contain nano−particles of iron crystals enclosed by a membrane and aligned on a cytoskeletal filament. Due to the presence of the magnetosome chains, magnetotactic bacteria are able to orient and swim along the magnetic field lines. A detailed study of structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria has primary scientific interests. It can provide more insight into the formation of the cytoskeleton in bacteria. In this thesis, we develop a new framework to study the structural properties of magnetosome chains in magnetotactic bacteria.
First, we address the bending stiffness of magnetosome chains resulting from two main contributions: the magnetic interactions of magnetosome particles and the bending stiffness of the cytoskeletal filament to which the magnetosomes are anchored. Our analysis indicates that the linear configuration of magnetosome particles without the stabilisation to the cytoskeleton may close to ring like structures, with no net magnetic moment, which thus can not perform as a compass in cellular navigation. As a result we think that one of the roles of the filament is to stabilize the linear configuration against ring closure.
We then investigate the equilibrium configurations of magnetosome particles including linear chain and closed−ring structures. We notably observe that for the formation of a stable linear structure on the cytoskeletal filament, presence of a binding energy is needed. In the presence of external stimuli the stability of the magnetosome chain is due to the internal dipole−dipole interactions, the stiffness and the binding energy of the protein structure connecting the magnetosome particles to the filament. Our observations, during and after the treatment of the magnetosome chain with the external magnetic field substantiates the stabilisation of magnetosome chains to the cytoskeletal filament by proteinous linkers and the dynamic feature of these structures.
Finally, we employ our model to study the FMR spectra of magnetosome chains in a single cell of magnetotactic bacteria. We explore the effect of magnetocrystalline anisotropy in three-fold symmetry observed in FMR spectra and the peculiarity of different spectra arisen from different mutants of these bacteria.
KW  - magnetotactic bacteria
KW  - magnetosome chains
KW  - structural properties
KW  - magnetotaktische Bakterien
KW  - Magnetosomen-Ketten
KW  - strukturelle Eigenschaften
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-398849
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A1  - Kayser, Markus
T1  - Wechselwirkung der atmosphärischen Grenzschicht mit synoptisch–skaligen Prozessen während der N-ICE2015 Kampagne
N2  - Die Arktis erwärmt sich schneller als der Rest der Erde. Die Auswirkungen manifestieren sich unter Anderem in einer verstärkten Erwärmung der arktischen Grenzschicht. Diese Arbeit befasst sich mit Wechselwirkungen zwischen synoptischen Zyklonen und der arktischen Atmosphäre auf lokalen bis überregionalen Skalen. Ausgangspunkt dafür sind Messdaten und Modellsimulationen für den Zeitraum der N-ICE2015 Expedition, die von Anfang Januar bis Ende Juni 2015 im arktischen Nordatlantiksektor stattgefunden hat.
Anhand von Radiosondenmessungen lassen sich Auswirkungen von synoptischen Zyklonen am deutlichsten im Winter erkennen, da sie durch die Advektion warmer und feuchter Luftmassen in die Arktis den Zustand der Atmosphäre von einem strahlungs-klaren in einen strahlungs-opaken ändern. Obwohl dieser scharfe Kontrast nur im Winter existiert, zeigt die Analyse, dass der integrierte Wasserdampf als Indikator für die Advektion von Luftmassen aus niedrigen Breiten in die Arktis auch im Frühjahr geeignet ist. Neben der Advektion von Luftmassen wird der Einfluss der Zyklonen auf die statische Stabilität charakterisiert. Beim Vergleich der N-ICE2015 Beobachtungen mit der SHEBA Kampagne (1997/1998), die über dickerem Eis stattfand, finden sich trotz der unterschiedlichen Meereisregime Ähnlichkeiten in der statischen Stabilität der Atmosphäre. Die beobachteten Differenzen in der Stabilität lassen sich auf Unterschiede in der synoptischen Aktivität zurückführen. Dies lässt vermuten, dass die dünnere Eisdecke auf saisonalen Zeitskalen nur einen geringen Einfluss auf die thermodynamische Struktur der arktischen Troposphäre besitzt, solange eine dicke Schneeschicht sie bedeckt. Ein weiterer Vergleich mit den parallel zur N-ICE2015 Kampagne gestarteten Radiosonden der AWIPEV Station in Ny-Åesund, Spitzbergen, macht deutlich, dass die synoptischen Zyklonen oberhalb der Orographie auf saisonalen Zeitskalen das Wettergeschehen bestimmen.
Des Weiteren werden für Februar 2015 die Auswirkungen von in der Vertikalen variiertem Nudging auf die Entwicklung der Zyklonen am Beispiel des hydrostatischen regionalen Klimamodells HIRHAM5 untersucht. Es zeigt sich, dass die Unterschiede zwischen den acht Modellsimulationen mit abnehmender Anzahl der genudgten Level zunehmen. Die größten Differenzen resultieren vornehmlich aus dem zeitlichen Versatz der Entwicklung synoptischer Zyklonen. Zur Korrektur des Zeitversatzes der Zykloneninitiierung genügt es bereits, Nudging in den unterstem 250 m der Troposphäre anzuwenden. Daneben findet sich zwischen den genudgten HIRHAM5-Simulation und den in situ Messungen der gleiche positive Temperaturbias, den auch ERA-Interim besitzt. Das freie HIRHAM hingegen reproduziert das positive Ende der N-ICE2015 Temperaturverteilung gut, besitzt aber einen starken negativen Bias, der sehr wahrscheinlich aus einer Unterschätzung des Feuchtegehalts resultiert. An Beispiel einer Zyklone wird gezeigt, dass Nudging Einfluss auf die Lage der Höhentiefs besitzt, die ihrerseits die Zyklonenentwicklung am Boden beeinflussen. Im Weiteren wird mittels eines für kleine Ensemblegrößen geeigneten Varianzmaßes eine statistische Einschätzung der Wirkung des Nudgings auf die Vertikale getroffen. Es wird festgestellt, dass die Ähnlichkeit der Modellsimulationen in der unteren Troposphäre generell höher ist als darüber und in 500 hPa ein lokales Minimum besitzt.
Im letzten Teil der Analyse wird die Wechselwirkung der oberen und unteren Stratosphäre anhand zuvor betrachteter Zyklonen mit Daten der ERA-Interim Reanalyse untersucht. Lage und Ausrichtung des Polarwirbels erzeugten ab Anfang Februar 2015 eine ungewöhnlich große Meridionalkomponente des Tropopausenjets, die Zugbahnen in die zentrale Arktis begünstigte. Am Beispiel einer Zyklone wird die Übereinstimmung der synoptischen Entwicklung mit den theoretischen Annahmen über den abwärts gerichteten Einfluss der Stratosphäre auf die Troposphäre hervorgehoben. Dabei spielt die nicht-lineare Wechselwirkung zwischen der Orographie Grönlands, einer Intrusion stratosphärischer Luft in die Troposphäre sowie einer in Richtung Arktis propagierender Rossby-Welle eine tragende Rolle. Als Indikator dieser Wechselwirkung werden horizontale Signaturen aus abwechselnd aufsteigender und absinkender Luft innerhalb der Troposphäre identifiziert.
N2  - The Arctic warms faster than the rest of the earth. The causes and effects of this arctic amplification are manifested in the arctic atmosphere, especially in the atmospheric boundary layer, which plays a key role in the exchange processes of the atmosphere, ocean and sea ice. This work highlights the importance of synoptic cyclones in the Arctic North Atlantic region. For this purpose, the influence of synoptic cyclones on the Arctic boundary layer as well as their interactions with different regions within the Arctic atmosphere on local to supraregional scales is investigated. The starting point for this are measurement data and model simulations for the period of the NICE2015 expedition, which took place in the Arctic North Atlantic region from early January to late June 2015.
On the basis of radiosonde measurements, the effects of synoptic cyclones are most noticeable in the winter because, by the advection of warm and humid air masses into the Arctic, the condition of the atmosphere changes from a radiative clear to opaquely cloudy. Although this sharp contrast only exists in winter, the analysis shows that integrated water vapor is an indicator for the advection of air masses from low latitudes into the Arctic even in the spring. In addition to the advection of air masses, the influence of cyclones on static stability is characterized. Comparing the N-ICE2015 observations with the SHEBA campaign (1997/1998), which took place over thicker ice, similarities are found in the static stability of the atmosphere despite the different sea ice regimes. The observed differences in stability can be attributed to differences in synoptic activity. A further comparison with the radiosondes of the AWIPEV station in Ny-Åesund, Spitzbergen, which were launched parallel to the N-ICE2015 campaign, shows that synoptic cyclones determine the course of the winter months. In addition, the effects of vertically-varying nudging on the development of cyclones is examined for February 2015 using the hydrostatic regional climate model HIRHAM5. It is shown that the differences between the eight model simulations are increasing with decreasing number of nudged levels. The greatest differences are mainly due to the temporal offset of the development of synoptic cyclones. To correct the time offset of the cyclone initiation, it is sufficient to use nudging in the lowest troposphere. The free HIRHAM reproduces the positive end of the N-ICE2015 temperature distribution well, but has a strong negative bias which most likely results from an under-estimation of the moisture content. An example of a cyclone shows that nudging has an influence on the position of the high altitude lows, which in turn influences cyclone development on the ground. Furthermore, a statistical estimate of the effect of nudging on the vertical is made by means of a variance measure suitable for small ensemble sizes. It is found that the similarity of model simulations in the lower troposphere is generally higher than above and has a local minimum in 500 hPa.
In the last part of the analysis, the interaction of the upper troposphere and the lower stratosphere is investigated with data from the ERA interim reanalysis using previously examined cyclones. The position and orientation of the polar vortex produced an unusually large meridional component of the tropopause jets, which favored passage of low pressure systems into the central Arctic from the beginning of February 2015 onwards. Using a cyclone as an example, the synoptic development is compared with the theoretical assumptions about the downward impact of the stratosphere on the troposphere. The non-linear interaction between Greenland’s orography, an intrusion of stratospheric air into the troposphere, and a Rossby wave propagating in the direction of the Arctic play a key role in the selected time frame. As an indicator of this interaction, horizontal signatures are identified from alternately ascending and descending air within the troposphere.
KW  - arktische Grenzschicht
KW  - Arctic boundary layer
KW  - synoptische Zyklone
KW  - synoptic cyclones
KW  - thermodynamische Struktur
KW  - thermodynamic structure
KW  - regional climate simulations
KW  - regionale Klimasimulationen
KW  - nudging
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411124
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TY  - THES
A1  - Håkansson, Nils
T1  - A Dark Matter line search using 3D-modeling of Cherenkov showers below 10 TeV with VERITAS
T1  - Die Suche nach Dunkler Materie mit VERITAS durch Liniensuche und 3D Modellierung von Cherenkov-Schauern unter 10 TeV
N2  - Dark matter, DM, has not yet been directly observed, but it has a very solid theoretical basis. There are observations that provide indirect evidence, like galactic rotation curves that show that the galaxies are rotating too fast to keep their constituent parts, and galaxy clusters that bends the light coming from behind-lying galaxies more than expected with respect to the mass that can be calculated from what can be visibly seen. These observations, among many others, can be explained with theories that include DM. The missing piece is to detect something that can exclusively be explained by DM. Direct observation in a particle accelerator is one way and indirect detection using telescopes is another. This thesis is focused on the latter method.
The Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, V ERITAS, is a telescope array that detects Cherenkov radiation. Theory predicts that DM particles annihilate into, e.g., a γγ pair and create a distinctive energy spectrum when detected by such telescopes, e.i., a monoenergetic line at the same energy as the particle mass. This so called ”smoking-gun” signature is sought with a sliding window line search within the sub-range ∼ 0.3 − 10 TeV of the VERITAS energy range, ∼ 0.01 − 30 TeV.
Standard analysis within the VERITAS collaboration uses Hillas analysis and look-up tables, acquired by analysing particle simulations, to calculate the energy of the particle causing the Cherenkov shower. In this thesis, an improved analysis method has been used. Modelling each shower as a 3Dgaussian should increase the energy recreation quality. Five dwarf spheroidal galaxies were chosen as targets with a total of ∼ 224 hours of data. The targets were analysed individually and stacked. Particle simulations were based on two simulation packages, CARE and GrISU.
Improvements have been made to the energy resolution and bias correction, up to a few percent each, in comparison to standard analysis. Nevertheless, no line with a relevant significance has been detected. The most promising line is at an energy of ∼ 422 GeV with an upper limit cross section of 8.10 · 10^−24 cm^3 s^−1 and a significance of ∼ 2.73 σ, before trials correction and ∼ 1.56 σ after. Upper limit cross sections have also been calculated for the γγ annihilation process and four other outcomes. The limits are in line with current limits using other methods, from ∼ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1. Future larger telescope arrays, like the upcoming Cherenkov Telescope Array, CTA, will provide better results with the help of this analysis method.
N2  - Dunkle Materie, DM, wurde noch nicht direkt beobachtet, aber die Theorie ist sehr solide. Es gibt Beobachtungen, die als indirekte Beweise gelten, z.B. galaktische Rotationskurven, die besagen, dass Galaxien zu schnell rotieren um ohne eine zusätzliche Massenkomponente zusammenhalten zu können, oder elliptische Zwerggalaxien, die massereicher sind als die sichtbare Materie vermuten lässt. Diese Beobachtungen könnten z.B. mit dem Vorhandensein von DM erkärt werden, aber bis jetzt fehlt die Beobachtung eines Phänomens, das ausschließlich durch DM erklärt werden kann. Eine Möglichkeit wäre die Beobachtung einer speziellen Energiesignatur durch Teleskope, welche das Thema der vorliegenden Arbeit ist.
Das Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System, VERITAS, ist ein Teleskoparray für Cherenkov-Strahlung. Entsprechend der Theorie sollten Teilchen dunkler Materie annihilieren und z.B. ein γγ Paar bilden. Dieses sollte im Teleskop eine spezielle Energiesignatur hinterlassen, nämlich eine monoenergetische Linie bei einer Energie, die der Teilchenmasse entspricht. Diese ”smoking-gun” Signatur wird mit einer sliding window Liniensuche bei Energien < 10TeV gesucht.
In der VERITAS Kollaboration werden standardm¨aßig eine Hillas-Analyse und Nachschlagetabellen aus Teilchensimulationen verwendet, um die Energie des Teilchens zu berechnen, das den Cherenkov-Schauer verursacht hat. Hier wird eine verbesserte Analysemethode verwendet. Dabei wird jeder Schauer als 3D-Gaußkurve modelliert, was die Qualität der Energierekonstruktion erheblich verbessern sollte. Dafur wurden funf elliptische Zwerggalaxien beobachtet und einzeln sowie insgesamt analysiert, insgesamt ~ 224 h Beobachtungszeit. Dabei werden zwei verschiedene Teilchensimulationsprogramme verwendet, CARE und GrISU.
In dieser Arbeit wurde die Energieauflösung und die Bias-Korrektur um einige Prozent gegen¨uber der Standardanalyse verbessert. Es wurde jedoch keine  signifikante Linie detektiert. Die vielversprechendste Linie befindet sich bei einer Energie von ~ 422GeV und hat einen Querschnitt von 8.10·10^−24 cm^3 s^−1 und ein Signifikanzlevel von ~ 2.73 σ bzw. 1.56σ vor bzw. nach statistischer Korrektur. Außerdem wurden obere Grenzwerte fur verschiedene Annihilierungsprozesse berechnet. Sie stimmen mit anderen aktuellen Grenzwerten überein (~ 8.56 · 10^−26 − 6.61 · 10^−23 cm^3s^−1). Zukünftig werden mehr Beobachtungsdaten und neue Teleskoparrays, wie das Cherenkov Telescope Array, CTA, mit Hilfe dieser Analysemethode bessere Ergebnisse ermöglichen.
KW  - Dark Matter
KW  - line search
KW  - VERITAS
KW  - 3D-modeling
KW  - Cherenkov showers
KW  - Dunkler Materie
KW  - Line Suche
KW  - VERITAS
KW  - 3D Modellierung
KW  - Cherenkov-Schauern
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-397670
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TY  - THES
A1  - Guber, Christoph Rudolf
T1  - Dust depletion of Ca and Ti in quasar absorption-line systems
Y1  - 2017
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TY  - THES
A1  - Ghaisari, Sara
T1  - Magnetic anisotropy analysis of magnetic nanoparticles in magnetotactic bacteria
Y1  - 2017
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TY  - THES
A1  - Ehrig, Sebastian
T1  - 3D curvature and its role on tissue organization
N2  - Shape change is a fundamental process occurring in biological tissues during embryonic development and regeneration of tissues and organs. This process is regulated by cells that are constrained within a complex environment of biochemical and physical cues. The spatial constraint due to geometry has a determining role on tissue mechanics and the spatial distribution of force patterns that, in turn, influences the organization of the tissue structure. An understanding of the underlying principles of tissue organization may have wide consequences for the understanding of healing processes and the development of organs and, as such, is of fundamental interest for the tissue engineering community.
This thesis aims to further our understanding of how the collective behaviour of cells is influenced by the 3D geometry of the environment. Previous research studying the role of geometry on tissue growth has mainly focused either on flat surfaces or on substrates where at least one of the principal curvatures is zero. In the present work, tissue growth from MC3T3-E1 pre-osteoblasts was investigated on surfaces of controlled mean curvature. 
One key aspect of this thesis was the development of substrates of controlled mean curvature and their visualization in 3D. It was demonstrated that substrates of controlled mean curvature suitable for cell culture can be fabricated using liquid polymers and surface tension effects.
Using these substrates, it was shown that the mean surface curvature has a strong impact on the rate of tissue growth and on the organization of the tissue structure. It was thereby not only demonstrated that the amount of tissue produced (i.e. growth rates) by the cells depends on the mean curvature of the substrate but also that the tissue surface behaves like a viscous fluid with an equilibrium shape governed by the Laplace-Young-law. It was observed that more tissue was formed on highly concave surfaces compared to flat or convex surfaces.
Motivated by these observations, an analytical model was developed, where the rate of tissue growth is a function of the mean curvature, which could successfully describe the growth kinetics. This model was also able to reproduce the growth kinetics of previous experiments where tissues have been cultured in straight-sided prismatic pores.
A second part of this thesis focuses on the tissue structure, which influences the mechanical properties of the mature bone tissue. Since the extracellular matrix is produced by the cells, the cell orientation has a strong impact on the direction of the tissue fibres. In addition, it was recently shown that some cell types exhibit collective alignment similar to liquid crystals. 
Based on this observation, a computational model of self-propelled active particles was developed to explore in an abstract manner how the collective behaviour of cells is influenced by 3D curvature. It was demonstrated that the 3D curvature has a strong impact on the self-organization of active particles and gives, therefore, first insights into the principles of self-organization of cells on curved surfaces.
N2  - Formänderung ist ein fundamentaler Vorgang während der embryonalen Entwicklung und der Regeneration von Geweben und Organen. Dieser Prozess wird von Zellen reguliert die in einer komplexen Umgebung von biochemischen und physikalischen Signalen eingebettet sind. Die räumliche Begrenzung der Zellen führt dabei zu Unterschieden in der Gewebemechanik und der räumlichen Verteilung von Kräften und hat damit einen Einfluss auf die Organisation der Gewebestruktur. Ein Verständnis der Organisationsprozesse von Geweben hat weitreichende Konsequenzen im Hinblick auf das Verständnis von Heilungsprozessen und der Entwicklung von Organen bis hin zu medizinischen Anwendungen wie der Entwicklung von Implantaten.
Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besseres Verständnis wie das kollektive Verhalten von Gewebezellen von der dreidimensionalen Krümmung der Umgebung beeinflusst wird. Die bisherige Forschung war bislang limitiert auf flache Oberflächen oder auf Substrate in denen zumindest eine der beiden Hauptkrümmungen Null ist. In dieser Arbeit wurde daher das Gewebewachstum von MC3T3-E1 Pre-Osteoblasten auf Oberflächen mit konstanter mittlerer Krümmung studiert.
Ein wichtiger Teil der Arbeit war die Entwicklung von Substraten mit kontrollierter mittlerer Krümmung und deren Visualisierung in 3D. Es wurde gezeigt, dass sich die Oberflächen- spannung von Polymerlösungen nutzen lässt um eben solche Substrate zu erzeugen. 
Mit Hilfe dieser Substrate wurde gezeigt, dass die mittlere Krümmung der Oberfläche einen entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate und die Organisation der Gewebestruktur hat. Es konnte nicht nur gezeigt werden dass die Menge an gebildetem Gewebe von der mittleren Krümmung abhängig ist, sondern auch dass die Oberfläche des Gewebes sich dabei wie eine Flüssigkeit verhält und dem Laplace-Young Gesetz folgt. Es wurde beobachtet dass sich mehr Gewebe auf konkaven als auf flachen oder konvexen Oberflächen gebildet hat.
Basierend auf diesen Beobachtungen wurde ein analytisches Modell entwickelt, welches die Wachstumsrate als Funktion der mittleren Krümmung beschreibt und mit Hilfe dessen sich das Gewebewachstum erfolgreich beschreiben lässt. Dieses Modell kann auch die Ergebnisse früherer Arbeiten reproduzieren, in denen Gewebe in prismatischen Poren kultiviert wurden.
Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der Struktur des Gewebes, welche einen Einfluss auf die späteren mechanischen Eigenschaften des maturierten Knochengewebes hat. Da die extrazelluläre Matrix des Gewebes von den Zellen gebildet wird, hat die Orientierung der Zellen einen entscheidenden Einfluss auf die Ausrichtung der Gewebefasern. Außerdem wurde vor kurzem gezeigt, dass sich manche Zellen wie Flüssigkristalle anordnen können. 
Basierend auf dieser Beobachtung wurde ein Computermodell aktiver Partikel entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Einfluss des kollektiven Verhaltens der Zellen auf dreidimensional gekrümmten Oberflächen abstrahieren lässt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die dreidimensionale Krümmung einen entscheidenden Einfluss auf die Selbstorganisation dieser Partikel hat und gibt damit erste Einblicke in ein mögliches Organisationsverhalten von Zellen auf 3D Oberflächen.
KW  - biophysics
KW  - tissue engineering
KW  - mechanobiology
Y1  - 2017
ER  - 
TY  - THES
A1  - Can Ucar, Mehmet
T1  - Elastic interactions between antagonistic molecular motors
Y1  - 2017
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TY  - THES
A1  - Buschhüter, David
T1  - Anforderungsrelevante mathematik- und physikbezogene Leistungsdispositionen von Physikanfängerinnen und  - anfängern
BT  - Zeitlicher Wandel mathematischer und physikalischer Kentnisse und Fähigkeiten (1978/2013) und inkrementelle Validität von Physikbezogenen Leistungsdispositionen für Studienleistungen und Studienabbruch
Y1  - 2017
ER  -