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This dissertation offers new and original readings of three major texts in the history of Western philosophy: Descartes’s “First Meditation,” Kant’s “Transcendental Deduction,” and his “Refutation of Idealism.” The book argues that each text addresses the problem of skepticism and posits that they have a hitherto underappreciated, organic relationship to one another. The dissertation begins with an analysis of Descartes’ “First Meditation,” which I argue offers two distinct and independent skeptical arguments that differ in both aim and scope. I call these arguments the “veil of ideas” argument and the “author of my origin” argument. My reading counters the standard interpretation of the text, which sees it as offering three stages of doubt, namely the occasional fallibility of the senses, the dream hypothesis, and the evil demon hypothesis. Building on this, the central argument of the dissertation is that Kant’s “Transcendental Deduction” actually transforms and radicalizes Descartes’s Author of My Origin argument, reconceiving its meaning within the framework of Kant’s own transcendental idealist philosophy. Finally, I argue that the Refutation of Idealism offers a similarly radicalized version of Descartes’s Veil of Ideas argument, albeit translated into the framework of transcendental idealism.
Wie wurden die Soldaten der Wehrmacht – in der Kaserne und an der Front – von ihren Unteroffizieren und Offizieren behandelt? Wie war deren Menschenführung beeinflusst vom Nationalsozialismus und welche Bedeutung hatte sie für den Zusammenhalt des deutschen Heeres im Zweiten Weltkrieg? Konstantin Franz Eckert schließt, gestützt auf eine breite Quellenbasis, eine wichtige Forschungslücke. Seine Studie zeigt, wie junge Männer auf ihren Militärdienst vorbereitet wurden und was sie von ihren Vorgesetzten erwarteten. Sie weist nach, dass Vorbild und persönlicher Einsatz, Konstruktivität und absolute Unterordnung unter das Gehorsamsprinzip im Dienst des NS-Regimes zentrale Führungselemente der Wehrmacht waren. Zudem wirft sie einen Blick auf die militärische Ausbildung und ordnet die alten Narrative vom »Kasernenhofschleifer« sachlich ein.
The experience of premenstrual syndrome (PMS) affects up to 90% of individuals with an active menstrual cycle and involves a spectrum of aversive physiological and psychological symptoms in the days leading up to menstruation (Tschudin et al., 2010). Despite its high prevalence, the precise origins of PMS remain elusive, with influences ranging from hormonal fluctuations to cognitive, social, and cultural factors (Hunter, 2007; Matsumoto et al., 2013).
Biologically, hormonal fluctuations, particularly in gonadal steroids, are commonly believed to be implicated in PMS, with the central factor being varying susceptibilities to the fluctuations between individuals and cycles (Rapkin & Akopians, 2012). Allopregnanolone (ALLO), a neuroactive steroid and progesterone metabolite, has emerged as a potential link to PMS symptoms (Hantsoo & Epperson, 2020). ALLO is a positive allosteric modulator of the GABAA receptor, influencing inhibitory communication (Rupprecht, 2003; Andréen et al., 2006). Different susceptibility to ALLO fluctuations throughout the cycle may lead to reduced GABAergic signal transmission during the luteal phase of the menstrual cycle.
The GABAergic system's broad influence leads to a number of affected physiological systems, including a consistent reduction in vagally mediated heart rate variability (vmHRV) during the luteal phase (Schmalenberger et al., 2019). This reduction in vmHRV is more pronounced in individuals with high PMS symptoms (Baker et al., 2008; Matsumoto et al., 2007). Fear conditioning studies have shown inconsistent associations with cycle phases, suggesting a complex interplay between physiological parameters and PMS-related symptoms (Carpenter et al., 2022; Epperson et al., 2007; Milad et al., 2006).
The neurovisceral integration model posits that vmHRV reflects the capacity of the central autonomous network (CAN), which is responsible for regulatory processes on behavioral, cognitive, and autonomous levels (Thayer & Lane, 2000, 2009). Fear learning, mediated within the CAN, is suggested to be indicative of vmHRV's capacity for successful
VI
regulation (Battaglia & Thayer, 2022). Given the GABAergic mediation of central inhibitory functional connectivity in the CAN, which may be affected by ALLO fluctuations, this thesis proposes that fluctuating CAN activity in the luteal phase contributes to diverse aversive symptoms in PMS.
A research program was designed to empirically test these propositions. Study 1 investigated fear discrimination during different menstrual cycle phases and its interaction with vmHRV, revealing nuanced effects on acoustic startle response and skin conductance response. While there was heightened fear discrimination in acoustic startle responses in participants in the luteal phase, there was an interaction between menstrual cycle phase and vmHRV in skin conductance responses. In this measure, heightened fear discrimination during the luteal phase was only visible in individuals with high resting vmHRV; those with low vmHRV showed reduced fear discrimination and higher overall responses.
Despite affecting the vast majority of menstruating people, there are very limited tools available to reliably assess these symptoms in the German speaking area. Study 2 aimed at closing this gap, by translating and validating a German version of the short version of the Premenstrual Assessment Form (Allen et al., 1991), providing a reliable tool for future investigations, which closes the gap in PMS questionnaires in the German-speaking research area.
Study 3 employed a diary study paradigm to explore daily associations between vmHRV and PMS symptoms. The results showed clear simultaneous fluctuations between the two constructs with a peak in PMS and a low point in vmHRV a few days before menstruation onset. The association between vmHRV and PMS was driven by psychological PMS symptoms.
Based on the theoretical considerations regarding the neurovisceral perspective on PMS, another interesting construct to consider is attentional control, as it is closely related to functions of the CAN. Study 4 delved into attentional control and vmHRV differences between menstrual cycle phases, demonstrating an interaction between cycle phase and PMS symptoms. In a pilot, we found reduced vmHRV and attentional control during the luteal phase only in participants who reported strong PMS.
While Studies 1-4 provided evidence for the mechanisms underlying PMS, Studies 5 and 6 investigated short- and long-term intervention protocols to ameliorate PMS symptomatology. Study 5 explored the potential of heart rate variability biofeedback (HRVB) in alleviating PMS symptoms and a number of other outcome measures. In a waitlist-control design, participants underwent a 4-week smartphone-based HRVB intervention. The results revealed positive effects on PMS, with larger effect sizes on psychological symptoms, as well as on depressive symptoms, anxiety/stress and attentional control.
Finally, Study 6 examined the acute effects of HRVB on attentional control. The study found positive impact but only in highly stressed individuals.
The thesis, based on this comprehensive research program, expands our understanding of PMS as an outcome of CAN fluctuations mediated by GABAA receptor reactivity. The results largely support the model. These findings not only deepen our understanding of PMS but also offer potential avenues for therapeutic interventions. The promising results of smartphone-based HRVB training suggest a non-pharmacological approach to managing PMS symptoms, although further research is needed to confirm its efficacy.
In conclusion, this thesis illuminates the complex web of factors contributing to PMS, providing valuable insights into its etiological underpinnings and potential interventions. By elucidating the relationships between hormonal fluctuations, CAN activity, and psychological responses, this research contributes to more effective treatments for individuals grappling with the challenges of PMS. The findings hold promise for improving the quality of life for those affected by this prevalent and often debilitating condition.
Der Semi-Parlamentarismus beschreibt das Regierungssystem, in dem die Regierung von einem Teil des Parlaments gewählt wird und abberufen werden kann, von einem anderen Teil des Parlaments aber unabhängig ist. Beide Kammern müssen dabei der Gesetzgebung zustimmen. Dieses von Steffen Ganghof klassifizierte System ergänzt gängige Regierungssystemtypologien, wie sie beispielsweise von David Samuels und Matthew Shugart genutzt werden. Der Semi-Parlamentarismus ist der logische Gegenpart zum Semi-Präsidentialismus, bei dem nur ein Teil der Exekutive von der Legislative abhängt, während im Semi-Parlamentarismus die Exekutive von nur einem Teil der Legislative abhängt. Der Semi-Parlamentarismus verkörpert so ein System der Gewaltenteilung ohne einen exekutiven Personalismus, wie er durch die Direktwahl und Unabhängigkeit der Regierungchef:in im Präsidentialismus hervorgerufen wird. Dadurch ist der Semi-Parlamentarismus geeignet, Unterschiede zwischen Parlamentarismus und Präsidentialismus auf den separaten Einfluss der Gewaltenteilung und des exekutiven Personalismus zurückzuführen. Die Untersuchung des Semi-Parlamentarismus ist daher für die Regierungssystemliteratur insgesamt von Bedeutung. Der Semi-Parlamentarismus ist dabei kein rein theoretisches Konstrukt, sondern existiert im australischen Bundesstaat, den australischen Substaaten und Japan.
Die vorliegende Dissertation untersucht erstmals umfassend die Gesetzgebung der semi-parlamentarischen Staaten als solchen. Der Fokus liegt dabei auf den zweiten Kammern, da diese durch die Unabhängigkeit von der Regierung der eigentliche Ort der Gesetzgebung sind. Die Gesetzgebung in Parlamentarismus und Präsidentialismus unterscheidet sich insbesondere in der Geschlossenheit der Parteien, der Koalitionsbildung und dem legislativen Erfolg der Regierungen. Diese Punkte sind daher auch von besonderem Interesse bei der Analyse des Semi-Parlamentarismus. Die semi-parlamentarischen Staaten unterscheiden sich auch untereinander teilweise erheblich in der institutionellen Ausgestaltung wie den Wahlsystemen oder den verfügbaren Mitteln zur Überwindung von Blockadesituationen. Die Darstellung und die Analyse der Auswirkungen dieser Unterschiede auf die Gesetzgebung ist neben dem Vergleich des Semi-Parlamentarismus mit anderen Systemen das zweite wesentliche Ziel dieser Arbeit.
Als Fundament der Analyse habe ich einen umfangreichen Datensatz erhoben, der alle Legislaturperioden der australischen Staaten zwischen 1997 und 2019 umfasst. Wesentliche Bestandteile des Datensatzes sind alle namentlichen Abstimmungen beider Kammern, alle
eingebrachten und verabschiedeten Gesetzen der Regierung sowie die mit Hilfe eines Expert-Surveys erhobenen Parteipositionen in den relevanten Politikfeldern auf substaatlicher Ebene.
Hauptsächlich mit der Hilfe von Mixed-Effects- und Fractional-Response-Analysen kann ich so zeigen, dass der Semi-Parlamentarismus in vielen Aspekten eher parlamentarischen als präsidentiellen Systemen gleicht. Nur die Koalitionsbildung erfolgt deutlich flexibler und unterscheidet sich daher von der typischen parlamentarischen Koalitionsbildung. Die Analysen legen nahe, dass wesentliche Unterschiede zwischen Parlamentarismus und Präsidentialismus eher auf den exekutiven Personalismus als auf die Gewaltenteilung zurückzuführen sind.
Zwischen den semi-parlamentarischen Staaten scheinen vor allem die Kontrolle des Medians beider Parlamentskammern durch die Regierung und die Möglichkeit der Regierung, die zweite Kammer mitaufzulösen, zu entscheidenden Unterschieden in der Gesetzgebung zu führen. Die Kontrolle des Medians ermöglicht eine flexible Koalitionsbildung und führt zu höheren legislativen Erfolgsraten. Ebenso führt eine möglichst leichte Auflösungsmöglichkeit der zweiten Kammern zu höheren legislativen Erfolgsraten. Die Parteigeschlossenheit ist unabhängig von diesen Aspekten in beiden Kammern der semi-parlamentarischen Parlamente sehr hoch.
Digitale Medien erlangen eine zunehmende Bedeutung für die Gestaltung von unterrichtlichen Lehr- und Lernprozessen (KMK, 2021; Scheiter, 2021). Die erfolgreiche Integration digitaler Medien und die qualitätsvolle Gestaltung digitalgestützten Unterrichts ist dabei abhängig von den digitalen Kompetenzen der beteiligten Lehrkräfte (KMK, 2021; Lachner et al., 2020). Lehrkräftefortbildungen zu Themen digitaler Medien sind in diesem Kontext von großer Relevanz. Die Teilnahme an Fortbildungen zu digitalen Themen kann zur Förderung der (selbsteingeschätzten) digitalen Kompetenzen sowie des digitalgestützten Unterrichts beitragen (KMK, 2021; SWK, 2022). Die Zusammenhänge zwischen Lehrkräftefortbildungen, Kompetenzen und Handeln von Lehrkräften werden auf theoretischer Ebene im Modell der Determinanten und Konsequenzen der professionellen Kompetenz von Lehrkräften nach Kunter et al. (2011) beschrieben. Allerdings ist bislang ungeklärt, inwiefern die für allgemeine Lehrkräftefortbildungen formulierten Zusammenhänge auch auf den digitalen Kontext übertragbar sind. Bisher weisen nur wenige empirische Ergebnisse darauf hin, dass digitalbezogene Lehrkräftefortbildungen mit selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen (z. B. Mayer et al., 2021; Ning et al., 2022; Reisoğlu, 2022) und dem digitalgestützten Unterrichtshandeln zusammenhängen (z. B. Alt, 2018; Gisbert Cervera & Lázaro Cantabrana, 2015). Eine zentrale Rolle für qualitätsvolles Unterrichtshandeln spielen die Handlungskompetenzen von Lehrkräften (Kunter et al., 2011). Auch im digitalen Kontext sind (selbsteingeschätzte) Kompetenzen von Lehrkräften für das unterrichtliche Handeln mit digitalen Medien relevant (z. B. Hatlevik, 2017; Spiteri & Rundgren, 2020). Eine systematische Darstellung von Kompetenzen von Lehrkräften für den unterrichtsbezogenen Einsatz digitaler Medien leistet der European Framework for the Digital Competence of Educators (DigCompEdu; Redecker & Punie, 2017). Jedoch liegen bisher nur wenige empirische Forschungsarbeiten zur Validierung dieses Rahmenmodells vor (z. B. Antonietti et al., 2022). Dabei bietet das DigCompEdu-Modell im Vergleich zu anderen Kompetenzmodellen wie beispielsweise dem Modell des Technological Pedagogical Content Knowledge (TPACK; Mishra & Koehler, 2006) einen differenzierten Blick auf verschiedene Kompetenzdimensionen.
Die aufgezeigten Forschungslücken aufnehmend, befasst sich die vorliegende Dissertation mit den Faktoren, die zu einer hohen Unterrichtsqualität im digitalgestützten Unterricht beitragen. Die drei empirischen Studien dieser Dissertation behandeln aus verschiedenen Perspektiven die Zusammenhänge zwischen der Teilnahme an digitalbezogenen Lehrkräftefortbildungen, den selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen von Lehrkräften und der selbstberichteten digitalgestützten Unterrichtsqualität. Die Studien orientieren sich dabei theoriegeleitet an den Annahmen des Modells der Determinanten und Konsequenzen der professionellen Kompetenz von Lehrkräften nach Kunter et al. (2011).
Studie 1 widmet sich der Frage, inwieweit die Teilnahme an digitalbezogenen Fortbildungen und Lehrkräftekooperationen im digitalen Kontext mit selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen, Interesse am digitalgestützten Unterrichten und qualitätsvollem Unterrichten mit digitalen Medien zusammenhängen. Die Ergebnisse manifester Pfadmodelle verdeutlichen, dass die Teilnahme an digitalbezogenen Fortbildungen und Kooperationen mit hohen digitalen Kompetenzen, einem hohen Interesse am digitalgestützten Unterrichten und einem selbstberichteten häufigen Einsatz digitaler Medien zur Umsetzung qualitätsvollen Unterrichtens (kognitive Aktivierung und Individualisierung) einhergingen. Digitalgestütztes Unterrichtshandeln wurde in bisherigen empirischen Studien vorrangig über die Nutzungshäufigkeit digitaler Medien im Unterricht erhoben, welche jedoch keine Rückschlüsse auf die Qualität des Einsatzes zulässt (Lachner et al., 2020; Scheiter, 2021). Der qualitätsvolle Einsatz digitaler Medien entlang der drei generischen Basisdimensionen (Klieme et al., 2009) wird daher in allen drei Studien der Dissertation berücksichtigt. In Studie 1 konnte zudem gezeigt werden, dass die selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen im Bereich TPACK die querschnittlichen Zusammenhänge zwischen der Teilnahmehäufigkeit von Lehrkräften an digitalbezogenen Fortbildungen und der Nutzungshäufigkeit digitaler Medien zur Umsetzung von kognitiver Aktivierung und Individualisierung vermitteln.
In Studie 2 wurden Skalen zur Erfassung selbsteingeschätzter digitaler Kompetenzen basierend auf dem DigCompEdu-Modell entwickelt und getestet. Konkret wurde dabei die Kompetenzdimension der Lernerorientierung mit den Subdimensionen Differenzierung und Aktive Einbindung von Schüler*innen in den Blick genommen. Die Ergebnisse der durchgeführten Strukturgleichungsmodellierungen legen eine bifaktorielle Faktorstruktur nahe, die sowohl die zwei theoretisch angenommenen Subdimensionen repräsentiert als auch einen generellen Faktor beinhaltet, der sich als übergreifende Lernerorientierung interpretiert lässt. Die selbsteingeschätzten digitalen Kompetenzen in Bereich der Lernerorientierung standen in signifikant positivem Zusammenhang mit dem selbstberichteten Einsatz digitaler Medien zur selbstberichteten Umsetzung qualitätsvollen Unterrichtshandelns (Klassenführung, kognitive Aktivierung und konstruktive Unterstützung).
Studie 3 führt die Themenfelder der Fortbildungen und der Kompetenzen im digitalen Kontext zusammen und befasst sich mit dem Zusammenhang zwischen Fortbildungsthemen und digitalen Kompetenzen. Ergebnisse von Pfadmodellierungen zeigen, dass die Teilnahme an digitalbezogenen Fortbildungen zu den technologisch-pädagogisch-inhaltlichen Themen „Computergestützte Förderung der Schüler*innen“ und „Fachspezifische Unterrichtsentwicklung mit digitalen Medien“ mit dem selbstberichteten qualitätsvollen Einsatz digitaler Medien zur kognitiven Aktivierung und konstruktiven Unterstützung einhergehen. Diese Befunde stärken die Annahme, dass Lehrkräfte für einen qualitätsvollen Einsatz digitaler Medien sowohl technologische als auch pädagogisch didaktische Kompetenzen benötigen (Lipowsky & Rzejak, 2021; Mishra & Koehler, 2006; Scheiter & Lachner, 2019) und Fortbildungen folglich technologische mit unterrichtspraktischen Inhalten kombinieren sollten (Bonnes et al., 2022). Zudem zeigt die Studie basierend auf den theoretischen Annahmen von Kunter et al. (2011), dass selbsteingeschätzte digitale Kompetenzen von Lehrkräften die Zusammenhänge zwischen der Teilnahmehäufigkeit an digitalbezogenen Fortbildungen und der selbstberichteten digitalgestützten Unterrichtsqualität vermittelten.
In der abschließenden Gesamtdiskussion der Dissertation werden die Befunde vor dem Hintergrund des dargelegten Forschungsstandes und hinsichtlich der Forschungslücken diskutiert und auf Grundlage der Befunde der drei Studien forschungs- und praxisrelevante Implikationen abgeleitet.
Deep learning has seen widespread application in many domains, mainly for its ability to learn data representations from raw input data. Nevertheless, its success has so far been coupled with the availability of large annotated (labelled) datasets. This is a requirement that is difficult to fulfil in several domains, such as in medical imaging. Annotation costs form a barrier in extending deep learning to clinically-relevant use cases. The labels associated with medical images are scarce, since the generation of expert annotations of multimodal patient data at scale is non-trivial, expensive, and time-consuming. This substantiates the need for algorithms that learn from the increasing amounts of unlabeled data. Self-supervised representation learning algorithms offer a pertinent solution, as they allow solving real-world (downstream) deep learning tasks with fewer annotations. Self-supervised approaches leverage unlabeled samples to acquire generic features about different concepts, enabling annotation-efficient downstream task solving subsequently.
Nevertheless, medical images present multiple unique and inherent challenges for existing self-supervised learning approaches, which we seek to address in this thesis: (i) medical images are multimodal, and their multiple modalities are heterogeneous in nature and imbalanced in quantities, e.g. MRI and CT; (ii) medical scans are multi-dimensional, often in 3D instead of 2D; (iii) disease patterns in medical scans are numerous and their incidence exhibits a long-tail distribution, so it is oftentimes essential to fuse knowledge from different data modalities, e.g. genomics or clinical data, to capture disease traits more comprehensively; (iv) Medical scans usually exhibit more uniform color density distributions, e.g. in dental X-Rays, than natural images. Our proposed self-supervised methods meet these challenges, besides significantly reducing the amounts of required annotations.
We evaluate our self-supervised methods on a wide array of medical imaging applications and tasks. Our experimental results demonstrate the obtained gains in both annotation-efficiency and performance; our proposed methods outperform many approaches from related literature. Additionally, in case of fusion with genetic modalities, our methods also allow for cross-modal interpretability. In this thesis, not only we show that self-supervised learning is capable of mitigating manual annotation costs, but also our proposed solutions demonstrate how to better utilize it in the medical imaging domain. Progress in self-supervised learning has the potential to extend deep learning algorithms application to clinical scenarios.
Arctic climate change is marked by intensified warming compared to global trends and a significant reduction in Arctic sea ice which can intricately influence mid-latitude atmospheric circulation through tropo- and stratospheric pathways. Achieving accurate simulations of current and future climate demands a realistic representation of Arctic climate processes in numerical climate models, which remains challenging.
Model deficiencies in replicating observed Arctic climate processes often arise due to inadequacies in representing turbulent boundary layer interactions that determine the interactions between the atmosphere, sea ice, and ocean. Many current climate models rely on parameterizations developed for mid-latitude conditions to handle Arctic turbulent boundary layer processes.
This thesis focuses on modified representation of the Arctic atmospheric processes and understanding their resulting impact on large-scale mid-latitude atmospheric circulation within climate models. The improved turbulence parameterizations, recently developed based on Arctic measurements, were implemented in the global atmospheric circulation model ECHAM6. This involved modifying the stability functions over sea ice and ocean for stable stratification and changing the roughness length over sea ice for all stratification conditions. Comprehensive analyses are conducted to assess the impacts of these modifications on ECHAM6's simulations of the Arctic boundary layer, overall atmospheric circulation, and the dynamical pathways between the Arctic and mid-latitudes.
Through a step-wise implementation of the mentioned parameterizations into ECHAM6, a series of sensitivity experiments revealed that the combined impacts of the reduced roughness length and the modified stability functions are non-linear. Nevertheless, it is evident that both modifications consistently lead to a general decrease in the heat transfer coefficient, being in close agreement with the observations.
Additionally, compared to the reference observations, the ECHAM6 model falls short in accurately representing unstable and strongly stable conditions.
The less frequent occurrence of strong stability restricts the influence of the modified stability functions by reducing the affected sample size. However, when focusing solely on the specific instances of a strongly stable atmosphere, the sensible heat flux approaches near-zero values, which is in line with the observations. Models employing commonly used surface turbulence parameterizations were shown to have difficulties replicating the near-zero sensible heat flux in strongly stable stratification.
I also found that these limited changes in surface layer turbulence parameterizations have a statistically significant impact on the temperature and wind patterns across multiple pressure levels, including the stratosphere, in both the Arctic and mid-latitudes. These significant signals vary in strength, extent, and direction depending on the specific month or year, indicating a strong reliance on the background state.
Furthermore, this research investigates how the modified surface turbulence parameterizations may influence the response of both stratospheric and tropospheric circulation to Arctic sea ice loss.
The most suitable parameterizations for accurately representing Arctic boundary layer turbulence were identified from the sensitivity experiments. Subsequently, the model's response to sea ice loss is evaluated through extended ECHAM6 simulations with different prescribed sea ice conditions.
The simulation with adjusted surface turbulence parameterizations better reproduced the observed Arctic tropospheric warming in vertical extent, demonstrating improved alignment with the reanalysis data. Additionally, unlike the control experiments, this simulation successfully reproduced specific circulation patterns linked to the stratospheric pathway for Arctic-mid-latitude linkages. Specifically, an increased occurrence of the Scandinavian-Ural blocking regime (negative phase of the North Atlantic Oscillation) in early (late) winter is observed. Overall, it can be inferred that improving turbulence parameterizations at the surface layer can improve the ECHAM6's response to sea ice loss.
The wide distribution of location-acquisition technologies means that large volumes of spatio-temporal data are continuously being accumulated. Positioning systems such as GPS enable the tracking of various moving objects' trajectories, which are usually represented by a chronologically ordered sequence of observed locations. The analysis of movement patterns based on detailed positional information creates opportunities for applications that can improve business decisions and processes in a broad spectrum of industries (e.g., transportation, traffic control, or medicine). Due to the large data volumes generated in these applications, the cost-efficient storage of spatio-temporal data is desirable, especially when in-memory database systems are used to achieve interactive performance requirements.
To efficiently utilize the available DRAM capacities, modern database systems support various tuning possibilities to reduce the memory footprint (e.g., data compression) or increase performance (e.g., additional indexes structures). By considering horizontal data partitioning, we can independently apply different tuning options on a fine-grained level. However, the selection of cost and performance-balancing configurations is challenging, due to the vast number of possible setups consisting of mutually dependent individual decisions.
In this thesis, we introduce multiple approaches to improve spatio-temporal data management by automatically optimizing diverse tuning options for the application-specific access patterns and data characteristics. Our contributions are as follows:
(1) We introduce a novel approach to determine fine-grained table configurations for spatio-temporal workloads. Our linear programming (LP) approach jointly optimizes the (i) data compression, (ii) ordering, (iii) indexing, and (iv) tiering. We propose different models which address cost dependencies at different levels of accuracy to compute optimized tuning configurations for a given workload, memory budgets, and data characteristics. To yield maintainable and robust configurations, we further extend our LP-based approach to incorporate reconfiguration costs as well as optimizations for multiple potential workload scenarios.
(2) To optimize the storage layout of timestamps in columnar databases, we present a heuristic approach for the workload-driven combined selection of a data layout and compression scheme. By considering attribute decomposition strategies, we are able to apply application-specific optimizations that reduce the memory footprint and improve performance.
(3) We introduce an approach that leverages past trajectory data to improve the dispatch processes of transportation network companies. Based on location probabilities, we developed risk-averse dispatch strategies that reduce critical delays.
(4) Finally, we used the use case of a transportation network company to evaluate our database optimizations on a real-world dataset. We demonstrate that workload-driven fine-grained optimizations allow us to reduce the memory footprint (up to 71% by equal performance) or increase the performance (up to 90% by equal memory size) compared to established rule-based heuristics.
Individually, our contributions provide novel approaches to the current challenges in spatio-temporal data mining and database research. Combining them allows in-memory databases to store and process spatio-temporal data more cost-efficiently.
This thesis presents an attempt to use source code synthesised from Coq formalisations of device drivers for existing (micro)kernel operating systems, with a particular focus on the Linux Kernel.
In the first part, the technical background and related work are described. The focus is here on the possible approaches to synthesising certified software with Coq, namely the extraction to functional languages using the Coq extraction plugin and the extraction to Clight code using the CertiCoq plugin. It is noted that the implementation of CertiCoq is verified, whereas this is not the case for the Coq extraction plugin. Consequently, there is a correctness guarantee for the generated Clight code which does not hold for the code being generated by the Coq extraction plugin. Furthermore, the differences between user space and kernel space software are discussed in relation to Linux device drivers. It is elaborated that it is not possible to generate working Linux kernel module components using the Coq extraction plugin without significant modifications. In contrast, it is possible to produce working user space drivers both with the Coq extraction plugin and CertiCoq. The subsequent parts describe the main contributions of the thesis.
In the second part, it is demonstrated how to extend the Coq extraction plugin to synthesise foreign function calls between the functional language OCaml and the imperative language C. This approach has the potential to improve the type-safety of user space drivers. Furthermore, it is shown that the code being synthesised by CertiCoq cannot be used in kernel space without modifications to the necessary runtime. Consequently, the necessary modifications to the runtimes of CertiCoq and VeriFFI are introduced, resulting in the runtimes becoming compatible components of a Linux kernel module. Furthermore, justifications for the transformations are provided and possible further extensions to both plugins and solutions to failing garbage collection calls in kernel space are discussed.
The third part presents a proof of concept device driver for the Linux Kernel. To achieve this, the event handler of the original PC Speaker driver is partially formalised in Coq. Furthermore, some relevant formal properties of the formalised functionality are discussed. Subsequently, a kernel module is defined, utilising the modified variants of CertiCoq and VeriFFI to compile a working device driver. It is furthermore shown that it is possible to compile the synthesised code with CompCert, thereby extending the guarantee of correctness to the assembly layer. This is followed by a performance evaluation that compares a naive formalisation of the PC speaker functionality with the original PC Speaker driver pointing out the weaknesses in the formalisation and possible improvements. The part closes with a summary of the results, their implications and open questions being raised.
The last part lists all used sources, separated into scientific literature, documentations or reference manuals and artifacts, i.e. source code.
The plant cell wall plays several crucial roles during plant development with its integrity acting as key signalling component for growth regulation during biotic and abiotic stresses. Cellulose microfibrils, the principal load-bearing components is the major component of the primary cell wall, whose synthesis is mediated by microtubule-associated CELLULOSE SYNTHASE (CESA) COMPLEXES (CSC). Previous studies have shown that CSC interacting proteins COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE (CC) facilitate sustained cellulose synthesis during salt stress by promoting repolymerization of cortical microtubules. However, our understanding of cellulose synthesis during salt stress remains incomplete.
In this study, a pull-down of CC1 protein led to the identification of a novel interactor, termed LEA-like. Phylogenetic analysis revealed that LEA-like belongs to the LATE EMBRYOGENESIS ABUNDANT (LEA) protein family, specifically to the LEA_2 subgroup, showing a close relationship with the CC proteins. Roots of the double mutants lea-like and its closest homolog emb3135 exhibited hypersensitivity when grown on cellulose synthesis inhibitors. Further analysis of higher-order mutants of lea-like, emb3135, and cesa6 demonstrated a genetic interaction between them indicating a significant role in cellulose synthesis.
Live-cell imaging revealed that both LEA-like and EMB3135 migrated with the CSC at the plasma membrane along microtubule tracks in control and oryzalin-treated conditions which destabilize microtubules, suggesting a tight interaction. Investigation of fluorescently labeled lines of different domains of the LEA-like protein revealed that the N-terminal cytosolic domain of LEA-like colocalizes with microtubules, suggesting a physical association between the two.
Considering the established role of LEA proteins in abiotic stress tolerance, we performed phenotypic analysis of the mutant under various stresses. Growth of double mutants of lea-like and emb3135 on NaCl containing media resulted in swelling of root cell indicating a putative role in salt stress tolerance. Supportive of this the quadruple mutant, lacking LEA-like, EMB3135, CC1, and CC2 proteins, exhibited a severe root growth defect on NaCl media compared to control conditions. Live-cell imaging revealed that under salt stress, the LEA-like protein forms aggregates in the plasma membrane.
In conclusion, this study has unveiled two novel interactors of the CSC that act with the CC proteins that regulate plant growth in response to salt stress providing new insights into the intricate regulation of cellulose synthesis, particularly under such conditions.
Leaves exhibit cells with varying degrees of shape complexity along the proximodistal axis. Heterogeneities in growth directions within individual cells bring about such complexity in cell shape. Highly complex and interconnected gene regulatory networks and signaling pathways have been identified to govern these processes. In addition, the organization of cytoskeletal networks and cell wall mechanical properties greatly influences the regulation of cell shape. Research has shown that microtubules are involved in regulating cellulose deposition and direc-tion of cell growth. However, comprehensive analysis of the regulation of the actin cytoskele-ton in cell shape regulation has not been well studied.
This thesis provides evidence that actin regulates aspects of cell growth, division, and direction-al expansion that impacts morphogenesis of developing leaves. The jigsaw puzzle piece mor-phology of epidermal pavement cells further serves as an ideal system to investigate the com-plex process of morphogenetic processes occurring at the cellular level. Here we have em-ployed live cell based imaging studies to track the development of pavement cells in actin com-promised conditions. Genetic perturbation of two predominantly expressed vegetative actin genes ACTIN2 and ACTIN7 results in delayed emergence of the cellular protrusions in pave-ment cells. Perturbation of actin also impacted the organization of microtubule in these cells that is known to promote emergence of cellular protrusions. Further, live-cell imaging of actin or-ganization revealed a correlation with cell shape, suggesting that actin plays a role in influencing pavement cell morphogenesis.
In addition, disruption of actin leads to an increase in cell size along the leaf midrib, with cells being highly anisotropic due to reduced cell division. The reduction of cell division further im-pacted the morphology of the entire leaf, with the mutant leaves being more curved. These re-sults suggests that actin plays a pivotal role in regulating morphogenesis at the cellular and tis-sue scales thereby providing valuable insights into the role of the actin cytoskeleton in plant morphogenesis.
This thesis focuses on the molecular evolution of Macroscelidea, commonly referred to as sengis. Sengis are a mammalian order belonging to the Afrotherians, one of the four major clades of placental mammals. Sengis currently consist of twenty extant species, all of which are endemic to the African continent. They can be separated in two families, the soft-furred sengis (Macroscelididae) and the giant sengis (Rhynchocyonidae). While giant sengis can be exclusively found in forest habitats, the different soft-furred sengi species dwell in a broad range of habitats, from tropical rain-forests to rocky deserts.
Our knowledge on the evolutionary history of sengis is largely incomplete. The high level of superficial morphological resemblance among different sengi species (especially the soft-furred sengis) has for example led to misinterpretations of phylogenetic relationships, based on morphological characters. With the rise of DNA based taxonomic inferences, multiple new genera were defined and new species described. Yet, no full taxon molecular phylogeny exists, hampering the answering of basic taxonomic questions. This lack of knowledge can be to some extent attributed to the limited availability of fresh-tissue samples for DNA extraction. The broad African distribution, partly in political unstable regions and low population densities complicate contemporary sampling approaches. Furthermore, the DNA information available usually covers only short stretches of the mitochondrial genome and thus a single genetic locus with limited informational content.
Developments in DNA extraction and library protocols nowadays offer the opportunity to access DNA from museum specimens, collected over the past centuries and stored in natural history museums throughout the world. Thus, the difficulties in fresh-sample acquisition for molecular biological studies can be overcome by the application of museomics, the research field which emerged from those laboratory developments.
This thesis uses fresh-tissue samples as well as a vast collection museum specimens to investigate multiple aspects about the macroscelidean evolutionary history. Chapter 4 of this thesis focuses on the phylogenetic relationships of all currently known sengi species. By accessing DNA information from museum specimens in combination of fresh tissue samples and publicly available genetic resources it produces the first full taxon molecular phylogeny of sengis. It confirms the monophyly of the genus Elephantulus and discovers multiple deeply divergent lineages within different species, highlighting the need for species specific approaches. The study furthermore focuses on the evolutionary time frame of sengis by evaluating the impact of commonly varied parameters on tree dating. The results of the study show, that the mitochondrial information used in previous studies to temporal calibrate the Macroscelidean phylogeny led to an overestimation of node ages within sengis. Especially soft-furred sengis are thus much younger than previously assumed. The refined knowledge of nodes ages within sengis offer the opportunity to link e.g. speciation events to environmental changes.
Chapter 5 focuses on the genus Petrodromus with its single representative Petrodromus tetradactylus. It again exploits the opportunities of museomics and gathers a comprehensive, multi-locus genetic dataset of P. tetradactylus individuals, distributed across most the known range of this species. It reveals multiple deeply divergent lineages within Petrodromus, whereby some could possibly be associated to previously described sub-species, at least one was formerly unknown. It underscores the necessity for a revision of the genus Petrodromus through the integration of both molecular and morphological evidence. The study, furthermore identifies changing forest distributions through climatic oscillations as main factor shaping the genetic structure of Petrodromus.
Chapter 6 uses fresh tissue samples to extent the genomic resources of sengis by thirteen new nuclear genomes, of which two were de-novo assembled. An extensive dataset of more than 8000 protein coding one-to-one orthologs allows to further refine and confirm the temporal time frame of sengi evolution found in Chapter 4. This study moreover investigates the role of gene-flow and incomplete lineage sorting (ILS) in sengi evolution. In addition it identifies clade specific genes of possible outstanding evolutionary importance and links them to potential phenotypic traits affected. A closer investigation of olfactory receptor proteins reveals clade specific differences. A comparison of the demographic past of sengis to other small African mammals does not reveal a sengi specific pattern.
Die Zusammenarbeit zwischen Lehr- und anderen Fachkräften stellt in Modellen inklusiver Schul- und Unterrichtsentwicklung sowie Schuleffektivität ein wichtiges Element dar. Wenngleich Kooperation als bedeutsam postuliert wird, so belegen Studien, dass diese bisher überwiegend in autonomieerhaltenden Formen praktiziert wird. Als entwicklungsförderlich gelten jedoch v.a. komplexere Formen der Zusammenarbeit. Vor dem Hintergrund inklusiver Bildung und dem Anspruch einer bestmöglichen individuellen Entwicklung der Schüler*innen stellt die Zusammenarbeit von Lehr- und Fachkräften folglich ein sehr bedeutsames Thema dar. Es ist zu hinterfragen, wie sich die Zusammenarbeit zwischen Lehr- und Fachkräften im Primar- wie Sekundarstufenbereich an inklusiven Schulen gestaltet, welche Faktoren diese beeinflussen und welche Relevanz die unterschiedlichen Formen der Zusammenarbeit im Prozess inklusiver Schulentwicklung einnehmen. Bestehende Forschungsdesiderata aufgrei-fend, fokussiert die vorliegende Dissertation auf die realisierte Zusammenarbeit von Lehr- und Fachkräften im Primar- und Sekundarstufenbereich inklusiver Schulen, am Beispiel des Landes Brandenburg. Neben den realisierten Formen der Zusammenarbeit, stehen insbesondere die Identifikation von Kooperationsmustern von Lehr- und Fachkräften sowie von Schulen, und deren Zusammenhänge mit der Leistungsentwicklung von Schüler*innen im Kern des Forschungsinteresses.
Die vorliegende Dissertation bearbeitet insgesamt sechs Forschungsfragen, welche in drei Teilstudien adressiert werden: Zunächst werden mittels deskriptiver Analysen sowie Mehrebenenmodellierungen die Ausgangslage multiprofessioneller Kooperation (erste Forschungsfrage) sowie deren Rahmenbedingungen (zweite Forschungsfrage) im Primar- wie Sekundarstufenbereich erfasst (Teilstudie 1). Lehr- und Fachkräfte kooperierten überwiegend in autonomieerhaltenden, austauschbasierten Formen. Weiterhin zeigte sich, dass insbesondere die individuelle Offenheit zur Zusammenarbeit sowie die subjektiv wahrgenommene Unterstützung durch die Schulleitung bedeutsame Faktoren für die Realisierung multiprofessioneller Kooperation darstellten. Die Fragestellungen drei und vier befassen sich mit der Identifikation von Mustern im Kooperationsverhalten (Teilstudie 2). Zum einen geht es hierbei um personenbezogene Profile von Lehr- und Fachkräften (dritte Forschungsfrage), zum anderen um schulbezogene Profile (vierte Forschungsfrage), welche mittels des personenzentrierten Ansatzes der latenten Profilanalysen unter Berücksichtigung der Mehrebenenstruktur identifiziert werden. Hinsichtlich des individuellen Kooperationsverhaltens konnten vier Profile eruiert werden, bzgl. des schulspezifischen Kooperationsverhaltens drei. Die Mehrheit der Lehr- und Fachkräfte konnte im „regularly“-Profil verortet werden, d.h. nach eigener Einschätzung kooperierten diese überdurchschnittlich häufig im Austausch miteinander und arbeitsteilig, aber auch regelmäßig kokonstruktiv. Auf Schulebene zeigte sich, dass etwa jede zweite inklusive Schule im Land Brandenburg über eine hoch ausgeprägte Kooperationskultur verfügte. Im Fokus der Teilstudie 3 wird den Fragen nachgegangen, in welchem Zusammenhang die schulspezifischen Kooperationskulturen mit der Leistungsentwicklung von Schüler*innen in der Primar- wie Sekundarstufe steht. Mittels autoregressiver Mehrebenenanalysen wird einerseits der Zusammenhang mit der Leistungsentwicklung aller Schüler*innen (fünfte Forschungsfrage) untersucht, sowie spezifisch auf die Entwicklung von Schüler*innen mit und ohne sonderpädagogischem Förderbedarf (sechste Forschungsfrage) fokussiert. Ein zentrales Ergebnis war hierbei, dass Schüler*innen mit sonderpädagogischem Förderbedarf in der Primar- wie Sekundarstufe in ihrer Leistungsentwicklung am stärksten profitierten, wenn sie an Schulen lernten, an denen sich die Lehr- und Fachkräfte sehr regelmäßig über Lernstände der Schüler*innen austauschten (Austausch), Arbeitspakete für differenzierte Lernangebote erarbeiteten und verteilten (Arbeitsteilung) und darüber hinaus gelegentlich gemeinsam Problemlösungen entwickelten (Kokonstruktion).
Die Ergebnisse werden vor dem Hintergrund der postulierten Relevanz multiprofessioneller Kooperation für inklusive Schul- und Unterrichtsentwicklungsprozesse eingeordnet und diskutiert. Weiterhin werden verschiedene praktische Implikationen für die Unterstützung multiprofessioneller Zusammenarbeit im Primar- und Sekundarstufenbereich abgeleitet.
Die vorliegende Arbeit thematisiert die Synthese und die Polymerisation von Monomeren auf der Basis nachwachsender Rohstoffe wie zum Beispiel in Gewürzen und ätherischen Ölen enthaltenen kommerziell verfügbaren Phenylpropanoiden (Eugenol, Isoeugenol, Zimtalkohol, Anethol und Estragol) und des Terpenoids Myrtenol sowie ausgehend von der Rinde einer Birke (Betula pendula) und der Korkeiche (Quercus suber). Ausgewählte Phenylpropanoide (Eugenol, Isoeugenol und Zimtalkohol) und das Terpenoid Myrtenol wurden zunächst in den jeweiligen Laurylester überführt und anschließend das olefinische Strukturelement epoxidiert, wobei 4 neue (2-Methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)phenyldodecanoat, 2-Methoxy-4-(3-methyl-oxiran-2-yl)phenyldodecanoat, (3-Phenyloxiran-2-yl)methyldodecanoat, (7,7-Dimethyl-3-oxatricyclo[4.1.1.02,4]octan-2-yl)methyldodecanoat) und 2 bereits bekannte monofunktionelle Epoxide (2-(4-Methoxybenzyl)oxiran und 2-(4-Methoxyphenyl)-3-methyloxiran) erhalten wurden, die mittels 1H-NMR-, 13C-NMR- und FT-IR-Spektroskopie sowie mit DSC untersucht wurden. Die Photo-DSC Untersuchung der Epoxidmonomere in einer kationischen Photopolymerisation bei 40 °C ergab die maximale Polymerisationsgeschwindigkeit (Rpmax: 0,005 s-1 bis 0,038 s-1) sowie die Zeit (tmax: 13 s bis 26 s) bis zum Erreichen des Rpmax-Wertes und führte zu flüssigen Oligomeren, deren zahlenmittlerer Polymerisationsgrad mit 3 bis 6 mittels GPC bestimmt wurde. Die Umsetzung von 2-Methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)phenyldodecanoat mit Methacrylsäure ergab ein Isomerengemisch (2-Methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat und 2-Methoxy-4-(2-(methacryl-oyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat), das mittels Photo-DSC in einer freien radikalischen Photopolymerisation untersucht wurde (Rpmax: 0,105 s-1 und tmax: 5 s), die zu festen in Chloroform unlöslichen Polymeren führte.
Aus Korkpulver und gemahlener Birkenrinde wurden selektiv 2 kristalline ω-Hydroxyfettsäuren (9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure und 22-Hydroxydocosansäure) isoliert. Die kationische Photopolymerisation der 9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure ergab einen nahezu farblosen transparenten und bei Raumtemperatur elastischen Film, welcher ein Anwendungspotential für Oberflächenbeschichtungen hat. Aus der Reaktion von 9,10-Epoxy-18-hydroxyoctadecansäure mit Methacrylsäure wurde ein bei Raumtemperatur flüssiges Gemisch aus zwei Konstitutionsisomeren (9,18-Dihydroxy-10-(methacryloyloxy)octadecansäure und 9-(Methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecansäure) erhalten (Tg: -60 °C). Die radikalische Photopolymerisation dieser Konstitutionsisomere wurde ebenfalls mittels Photo-DSC untersucht (Rpmax: 0,098 s-1 und tmax: 3,8 s). Die Reaktion von 22-Hydroxydocosansäure mit Methacryloylchlorid ergab die kristalline 22-(Methacryloyloxy)docosansäure, welche ebenfalls in einer radikalischen Photopolymerisation mittels Photo-DSC untersucht wurde (Rpmax: 0,023 s-1 und tmax: 9,6 s).
Die mittels AIBN in Dimethylsulfoxid initiierte Homopolymerisation der 22-(Methacryloyloxy)docosansäure und der Isomerengemische bestehend aus 2-Methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat und 2-Methoxy-4-(2-(methacryl-oyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat sowie aus 9,18-Dihydroxy-10-(methacryloy-loxy)octadecansäure und 9-(Methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecansäure ergab feste lösliche Polymere, die mittels 1H-NMR- und FT-IR-Spektroskopie, GPC (Poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat): Pn = 94) und DSC (Poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyldodecanoat / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyldodecanoat): Tg: 52 °C; Poly(9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)-octadecansäure / 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecansäure): Tg: 10 °C; Poly(22-(methacryloyloxy)docosansäure): Tm: 74,1 °C, wobei der Schmelzpunkt mit dem des Photopolymers (Tm = 76,8 °C) vergleichbar ist) charakterisiert wurden.
Das bereits bekannte Monomer 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on wurde ausgehend von 4-(4-Hydroxyphenyl)butan-2-on hergestellt, welches aus Birkenrinde gewonnen werden kann, und unter identischen Bedingungen für einen Vergleich mit den neuen Monomeren polymerisiert. Die freie radikalische Polymerisation führte zu Poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-on) (Pn: 214 und Tg: 83 °C). Neben der Homopolymerisation wurde eine statistische Copolymerisation des Isomerengemisches 2-Methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryl-oyloxy)propyl)phenyldodecanoat / 2-Methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)-phenyldodecanoat mit 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on untersucht, wobei ein äquimolarer Einsatz der Ausgangsmonomere zu einem Anstieg der Ausbeute, der Molmassenverteilung und der Dispersität des Copolymers (Tg: 44 °C) führte. Die unter Verwendung von Diethylcarbonat als „grünes“ Lösungsmittel mittels AIBN initiierten freien radikalischen Homopolymerisationen von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on und von Laurylmethacrylat ergaben vergleichbare Polymerisationsgrade der Homopolymere (Pn: 150), welche jedoch aufgrund ihrer Strukturunterschiede deutlich unterschiedliche Glasübergangstemperaturen hatten (Poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-on): Tg: 70 °C, Poly(laurylmethacrylat) Tg: -49 °C. Eine statistische Copolymerisation äquimolarer Stoffmengen der beiden Monomere in Diethylcarbonat führte bei einer Polymerisationszeit von 60 Minuten zu einem leicht bevorzugten Einbau des 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on in das Copolymer (Tg: 17 °C). Copolymerisationsdiagramme für die freien radikalischen Copolymerisationen von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on mit n-Butylmethacrylat beziehungsweise 2-(Dimethylamino)ethylmethacrylat (t: 20 min bis 60 min; Molenbrüche (X) für 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on: 0,2; 0,4; 0,6 und 0,8) zeigten ein nahezu ideales azeotropes Copolymerisationsverhalten, obwohl ein leicht bevorzugter Einbau von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on in das jeweilige Copolymer beobachtet wurde. Dabei korreliert ein Anstieg der Ausbeute und der Glasübergangstemperatur der erhaltenen Copolymere mit einem zunehmenden Gehalt an 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)butan-2-on im Reaktionsgemisch. Die unter Einsatz der modifizierten Gibbs-DiMarzio-Gleichung berechneten Glasübergangstemperaturen der Copolymere stimmten mit den gemessenen Werten gut überein. Das ist eine gute Ausgangsbasis für die Bestimmung der Glasübergangstemperatur eines Copolymers mit einer beliebigen Zusammensetzung.
Ecosystems play a pivotal role in addressing climate change but are also highly susceptible to drastic environmental changes. Investigating their historical dynamics can enhance our understanding of how they might respond to unprecedented future environmental shifts. With Arctic lakes currently under substantial pressure from climate change, lessons from the past can guide our understanding of potential disruptions to these lakes. However, individual lake systems are multifaceted and complex. Traditional isolated lake studies often fail to provide a global perspective because localized nuances—like individual lake parameters, catchment areas, and lake histories—can overshadow broader conclusions. In light of these complexities, a more nuanced approach is essential to analyze lake systems in a global context.
A key to addressing this challenge lies in the data-driven analysis of sedimentological records from various northern lake systems. This dissertation emphasizes lake systems in the northern Eurasian region, particularly in Russia (n=59). For this doctoral thesis, we collected sedimentological data from various sources, which required a standardized framework for further analysis. Therefore, we designed a conceptual model for integrating and standardizing heterogeneous multi-proxy data into a relational database management system (PostgreSQL). Creating a database from the collected data enabled comparative numerical analyses between spatially separated lakes as well as between different proxies.
When analyzing numerous lakes, establishing a common frame of reference was crucial. We achieved this by converting proxy values from depth dependency to age dependency. This required consistent age calculations across all lakes and proxies using one age-depth modeling software. Recognizing the broader implications and potential pitfalls of this, we developed the LANDO approach ("Linked Age and Depth Modelling"). LANDO is an innovative integration of multiple age-depth modeling software into a singular, cohesive platform (Jupyter Notebook). Beyond its ability to aggregate data from five renowned age-depth modeling software, LANDO uniquely empowers users to filter out implausible model outcomes using robust geoscientific data. Our method is not only novel but also significantly enhances the accuracy and reliability of lake analyses.
Considering the preceding steps, this doctoral thesis further examines the relationship between carbon in sediments and temperature over the last 21,000 years. Initially, we hypothesized a positive correlation between carbon accumulation in lakes and modelled paleotemperature. Our homogenized dataset from heterogeneous lakes confirmed this association, even if the highest temperatures throughout our observation period do not correlate with the highest carbon values. We assume that rapid warming events contribute more to high accumulation, while sustained warming leads to carbon outgassing. Considering the current high concentration of carbon in the atmosphere and rising temperatures, ongoing climate change could cause northern lake systems to contribute to a further increase in atmospheric carbon (positive feedback loop). While our findings underscore the reliability of both our standardized data and the LANDO method, expanding our dataset might offer even greater assurance in our conclusions.
Improving permafrost dynamics in land surface models: insights from dual sensitivity experiments
(2024)
The thawing of permafrost and the subsequent release of greenhouse gases constitute one of the most significant and uncertain positive feedback loops in the context of climate change, making predictions regarding changes in permafrost coverage of paramount importance. To address these critical questions, climate scientists have developed Land Surface Models (LSMs) that encompass a multitude of physical soil processes. This thesis is committed to advancing our understanding and refining precise representations of permafrost dynamics within LSMs, with a specific focus on the accurate modeling of heat fluxes, an essential component for simulating permafrost physics.
The first research question overviews fundamental model prerequisites for the representation of permafrost soils within land surface modeling. It includes a first-of-its-kind comparison between LSMs in CMIP6 to reveal their differences and shortcomings in key permafrost physics parameters. Overall, each of these LSMs represents a unique approach to simulating soil processes and their interactions with the climate system. Choosing the most appropriate model for a particular application depends on factors such as the spatial and temporal scale of the simulation, the specific research question, and available computational resources.
The second research question evaluates the performance of the state-of-the-art Community Land Model (CLM5) in simulating Arctic permafrost regions. Our approach overcomes traditional evaluation limitations by individually addressing depth, seasonality, and regional variations, providing a comprehensive assessment of permafrost and soil temperature dynamics. I compare CLM5's results with three extensive datasets: (1) soil temperatures from 295 borehole stations, (2) active layer thickness (ALT) data from the Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM), and (3) soil temperatures, ALT, and permafrost extent from the ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). The results show that CLM5 aligns well with ESA-CCI and CALM for permafrost extent and ALT but reveals a significant global cold temperature bias, notably over Siberia. These results echo a persistent challenge identified in numerous studies: the existence of a systematic 'cold bias' in soil temperature over permafrost regions. To address this challenge, the following research questions propose dual sensitivity experiments.
The third research question represents the first study to apply a Plant Functional Type (PFT)-based approach to derive soil texture and soil organic matter (SOM), departing from the conventional use of coarse-resolution global data in LSMs. This novel method results in a more uniform distribution of soil organic matter density (OMD) across the domain, characterized by reduced OMD values in most regions. However, changes in soil texture exhibit a more intricate spatial pattern. Comparing the results to observations reveals a significant reduction in the cold bias observed in the control run. This method shows noticeable improvements in permafrost extent, but at the cost of an overestimation in ALT. These findings emphasize the model's high sensitivity to variations in soil texture and SOM content, highlighting the crucial role of soil composition in governing heat transfer processes and shaping the seasonal variation of soil temperatures in permafrost regions.
Expanding upon a site experiment conducted in Trail Valley Creek by \citet{dutch_impact_2022}, the fourth research question extends the application of the snow scheme proposed by \citet{sturm_thermal_1997} to cover the entire Arctic domain. By employing a snow scheme better suited to the snow density profile observed over permafrost regions, this thesis seeks to assess its influence on simulated soil temperatures. Comparing this method to observational datasets reveals a significant reduction in the cold bias that was present in the control run. In most regions, the Sturm run exhibits a substantial decrease in the cold bias. However, there is a distinctive overshoot with a warm bias observed in mountainous areas. The Sturm experiment effectively addressed the overestimation of permafrost extent in the control run, albeit resulting in a substantial reduction in permafrost extent over mountainous areas. ALT results remain relatively consistent compared to the control run. These outcomes align with our initial hypothesis, which anticipated that the reduced snow insulation in the Sturm run would lead to higher winter soil temperatures and a more accurate representation of permafrost physics.
In summary, this thesis demonstrates significant advancements in understanding permafrost dynamics and its integration into LSMs. It has meticulously unraveled the intricacies involved in the interplay between heat transfer, soil properties, and snow dynamics in permafrost regions. These insights offer novel perspectives on model representation and performance.
How do the rights of same-sex couples have to be ensured by states, and which kind of environmental obligations are induced by the right to life and to personal integrity? Questions as diverse and far-reaching as these are regularly dealt with by the Inter-American Court of Human Rights in its advisory function. This book is the first comprehensive, non-Spanish-written treatise on the advisory function of this Court. It analyzes the scope of the Court's advisory jurisdiction and its procedural practice in comparison with that of other international courts. Moreover, the legal effects of the Court’s advisory opinions and the question when the Court should better reject a request for an advisory opinion are examined.