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A rapidly increasing number of systems is identified in which the stochastic motion of tracer particles follows the Brownian law < r(2)(t)> similar or equal to Dt yet the distribution of particle displacements is strongly non-Gaussian. A central approach to describe this effect is the diffusing diffusivity (DD) model in which the diffusion coefficient itself is a stochastic quantity, mimicking heterogeneities of the environment encountered by the tracer particle on its path. We here quantify in terms of analytical and numerical approaches the first passage behaviour of the DD model. We observe significant modifications compared to Brownian-Gaussian diffusion, in particular that the DD model may have a faster first passage dynamics. Moreover we find a universal crossover point of the survival probability independent of the initial condition.
We develop an axisymmetric diffusion model to describe radial density profiles in the vicinity of tiny moons embedded in planetary rings. Our diffusion model accounts for the gravitational scattering of the ring particles by an embedded moon and for the viscous diffusion of the ring matter back into the gap. With test particle simulations, we show that the scattering of the ring particles passing the moon is larger for small impact parameters than estimated by Goldreich & Tremaine and Namouni. This is significant for modeling the Keeler gap. We apply our model to the gaps of the moons Pan and Daphnis embedded in the outer A ring of Saturn with the aim to estimate the shear viscosity of the ring in the vicinity of the Encke and Keeler gap. In addition, we analyze whether tiny icy moons whose dimensions lie below Cassini's resolution capabilities would be able to explain the gap structure of the C ring and the Cassini division.
Innerhalb dieser Doktorarbeit wurde eine neuartige Mikromanipulationstechnik für die lokale Flüssigkeitsabgabe am komplexen Drüsengewebe der Schabe P. americana charakterisiert und für die damit verbundene gezielte Manipulation von einzelnen Zellen in einem Zellkomplex (Gewebe) angewandt. Bei dieser Mikromanipulationstechnik handelt es sich um die seit 2009 bekannte nanofluidische Rasterkraftmikroskopie (FluidFM = fluidic force microscopy). Dabei werden sehr kleine mikrokanälige Rasterkraftspitzen bzw. Mikro-/Nanopipetten mit einer Öffnung zwischen 300 nm und 2 µm verwendet, mit denen es möglich ist, sehr kleine Volumina im Pikoliter- bis Femtoliter-Bereich (10-12 L – 10-15 L) gezielt und ortsgenau abzugeben. Das Ziel dieser Arbeit war die Analyse zellulärer Prozesse, wie z. B. Zell-Zell-Kommunikation oder Signalweiterleitung, zwischen benachbarten Zellen unter Zuhilfenahme der Fluoreszenzmikroskopie. Mit dieser Methode können die Zellen und ihre Bestandteile mittels vorheriger Farbstoffbeladung unter einem Mikroskop mit hohem Kontrast optisch dargestellt werden. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie sollten schlussendlich die zellulären Reaktionen innerhalb des Gewebes nach der lokalen Manipulation visualisiert werden.
Zunächst wurde die Anwendung des Systems an Luft und wässriger Umgebung beschrieben. In diesem Zusammenhang wurde eine Reinigungs- und Beladungsmethode entwickelt, mit der es möglich war, die kostspieligen Mikro-/Nanopipetten zu reinigen und anschließend mehrmals wiederzuverwenden. Hierzu wurde eine alternative Methode getestet, mit der das Diffusionsverhalten von Farbstoffmolekülen in unterschiedlichen Medien untersucht werden kann. Des Weiteren wurden die Systemparameter optimiert, welche nötig sind, um zwischen der Probenoberfläche und der Pipette einen guten Pipettenöffnungs-abschluss zu erhalten. Dieser Abschluss ist essentiell, damit die abgegebene Flüssigkeit ausschließlich in der Abgaberegion mit der Probe wechselwirkt und die darauffolgenden Reaktionen nur innerhalb des Gewebes erfolgen, da ansonsten die Zell-Zell-Signalweiterleitung zwischen den Zellen nicht eindeutig nachvollzogen werden kann. Diese interzelluläre Kommunikation wurde anhand zweier sekundärer Botenstoffe (Ca2+ und NO) untersucht. Hierbei war es möglich einzelne lokale Reaktionen zu detektieren, welche sich über weitere Zellen ausbreiteten. Schlussendlich wurde die Fertigung einer speziellen Injektionspipette beschrieben, welche an zwei biologischen Systemen getestet wurde.
Understanding of wave environments is critical for the understanding of how particles are accelerated and lost in space. This study shows that in the vicinity of Europa and Ganymede, that respectively have induced and internal magnetic fields, chorus wave power is significantly increased. The observed enhancements are persistent and exceed median values of wave activity by up to 6 orders of magnitude for Ganymede. Produced waves may have a pronounced effect on the acceleration and loss of particles in the Jovian magnetosphere and other astrophysical objects. The generated waves are capable of significantly modifying the energetic particle environment, accelerating particles to very high energies, or producing depletions in phase space density. Observations of Jupiter's magnetosphere provide a unique opportunity to observe how objects with an internal magnetic field can interact with particles trapped in magnetic fields of larger scale objects.
At Saturn electrons are trapped in the planet's magnetic field and accelerated to relativistic energies to form the radiation belts, but how this dramatic increase in electron energy occurs is still unknown. Until now the mechanism of radial diffusion has been assumed but we show here that in-situ acceleration through wave particle interactions, which initial studies dismissed as ineffectual at Saturn, is in fact a vital part of the energetic particle dynamics there. We present evidence from numerical simulations based on Cassini spacecraft data that a particular plasma wave, known as Z-mode, accelerates electrons to MeV energies inside 4 R-S (1 R-S = 60,330 km) through a Doppler shifted cyclotron resonant interaction. Our results show that the Z-mode waves observed are not oblique as previously assumed and are much better accelerators than O-mode waves, resulting in an electron energy spectrum that closely approaches observed values without any transport effects included.