This cumulative thesis is concerned with the evolution of geomagnetic activity since the beginning of the 20th century, that is, the time-dependent response of the geomagnetic field to solar forcing. The focus lies on the description of the magnetospheric response field at ground level, which is particularly sensitive to the ring current system, and an interpretation of its variability in terms of the solar wind driving. Thereby, this work contributes to a comprehensive understanding of long-term solar-terrestrial interactions. The common basis of the presented publications is formed by a reanalysis of vector magnetic field measurements from geomagnetic observatories located at low and middle geomagnetic latitudes. In the first two studies, new ring current targeting geomagnetic activity indices are derived, the Annual and Hourly Magnetospheric Currents indices (A/HMC). Compared to existing indices (e.g., the Dst index), they do not only extend the covered period by at least three solar cycles but also constitute a qualitative improvement concerning the absolute index level and the ~11-year solar cycle variability. The analysis of A/HMC shows that (a) the annual geomagnetic activity experiences an interval-dependent trend with an overall linear decline during 1900–2010 of ~5 % (b) the average trend-free activity level amounts to ~28 nT (c) the solar cycle related variability shows amplitudes of ~15–45 nT (d) the activity level for geomagnetically quiet conditions (Kp<2) lies slightly below 20 nT. The plausibility of the last three points is ensured by comparison to independent estimations either based on magnetic field measurements from LEO satellite missions (since the 1990s) or the modeling of geomagnetic activity from solar wind input (since the 1960s). An independent validation of the long-term trend is problematic mainly because the sensitivity of the locally measured geomagnetic activity depends on geomagnetic latitude. Consequently, A/HMC is neither directly comparable to global geomagnetic activity indices (e.g., the aa index) nor to the partly reconstructed open solar magnetic flux, which requires a homogeneous response of the ground-based measurements to the interplanetary magnetic field and the solar wind speed. The last study combines a consistent, HMC-based identification of geomagnetic storms from 1930–2015 with an analysis of the corresponding spatial (magnetic local time-dependent) disturbance patterns. Amongst others, the disturbances at dawn and dusk, particularly their evolution during the storm recovery phases, are shown to be indicative of the solar wind driving structure (Interplanetary Coronal Mass Ejections vs. Stream or Co-rotating Interaction Regions), which enables a backward-prediction of the storm driver classes. The results indicate that ICME-driven geomagnetic storms have decreased since 1930 which is consistent with the concurrent decrease of HMC. Out of the collection of compiled follow-up studies the inclusion of measurements from high-latitude geomagnetic observatories into the third study’s framework seems most promising at this point.

Supernova remnants are believed to be the source of cosmic rays with energies up to 10^15 eV that are produced within our Galaxy. The acceleration mechanism associated with the collision-less shocks in supernova remnants - diffusive shock acceleration - predicts a spectral index of the accelerated non-thermal particles of s = 2. However, measurements of non-thermal emission in radio, X-rays and gamma-rays reveal significant deviations of the particles spectral index from the canonical value of s = 2. The youngest Galactic supernova remnant G1.9+0.3 is an interesting target for next-generation gamma-ray observatories. So far, the remnant is only detected in the radio and the X-ray bands, but its young age of ≈100 yrs and inferred shock speed of ≈ 14, 000 km/s could make it an efficient particle accelerator. I performed spherical symmetric 1D simulations with the RATPaC code, in which I simultaneously solved the transport equation for cosmic rays, the transport equation for magnetic turbulence, and the hydro-dynamical equations for the gas flow. Separately computed distributions of the particles accelerated at the forward and the reverse shock were then used to calculate the spectra of synchrotron, inverse Compton, and Pion-decay radiation from the source. The emission from G1.9+0.3 can be self-consistently explained within the test-particle limit. I find that the X-ray flux is dominated by emission from the forward shock while most of the radio emission originates near the reverse shock, which makes G1.9+0.3 the first remnant with non-thermal radiation detected from the reverse shock. The flux of very-high-energy gamma-ray emission from G1.9+0.3 is expected to be close to the sensitivity threshold of the Cherenkov Telescope Array. The limited time available to grow large-scale turbulence limits the maximum energy of particles to values below 100 TeV, hence G1.9+0.3 is not a PeVatron. Although there are many models for the acceleration of cosmic rays in Supernova remnants, the escape of cosmic rays from these sources is yet understudied. I use our time-dependent acceleration code RATPaC to study the acceleration of cosmic rays and their escape in post-adiabatic Supernova remnants and calculate the subsequent gamma-ray emission from inverse-Compton scattering and Pion decay. My simulations span 100,000 years, thus covering the free-expansion, the Sedov-Taylor, and the beginning of the post-adiabatic phase of the remnant’s evolution. At later stages of the evolution cosmic rays over a wide range of energy can reside outside of the remnant, creating spectra that are softer than predicted by standard diffusive shock acceleration and feature breaks in the 10 - 100 GeV-range. The total spectrum of cosmic rays released into the interstellar medium has a spectral index of s ≈ 2.4 above roughly 10 GeV which is close to that required by Galactic propagation models. I further find the gamma-ray luminosity to peak around an age of 4,000 years for inverse-Compton-dominated high-energy emission. Remnants expanding in low-density media emit generally more inverse-Compton radiation matching the fact that the brightest known supernova remnants - RCW86, Vela Jr, HESSJ1721-347 and RXJ1713.7-3946 - are all expanding in low density environments. The importance of feedback from the cosmic-rays on the hydrodynamical evolution of the remnants is debated as a possibility to obtain soft cosmic-ray spectra at low energies. I performed spherically symmetric 1-D simulations with a modified version of the RATPaC code, in which I simultaneously solve the transport equation for cosmic rays and the hydrodynamical equations, including the back-reaction of the cosmic-ray pressure on the flow profiles. Besides the known modification of the flow profiles and the consequently curved cosmic-ray spectra, steady-state models for non-linear diffusive shock acceleration overpredict the total compression ratio that can be reached with cosmic-ray feedback, as there is limited time for building these modifications. Further, I find modifications to the downstream flow structure that change the evolutionary behavior of the remnant and trigger a cosmic-ray-induced instability close to the contact discontinuity, if and when the cosmic-ray pressure becomes dominant there.

Carbonfasern haben sich in der Luft- und Raumfahrt etabliert und gewinnen in Alltagsanwendungen wie dem Automobilbereich, Windkraft- und Sportbereich durch ihre hohen Zugfestigkeiten, insbesondere ihrer hohen E-Moduli, und ihrer geringen Dichte immer mehr an Bedeutung. Auf Grund ihrer hohen Kosten, welche sich zur Hälfte aus der Precursorherstellung, inklusive seiner Synthese und seinem Verspinnprozess, dem Lösungsspinnverfahren, ergeben, erhalten zunehmend alternative und schmelzspinnbare Precursoren Interesse. Für die Carbonfaserherstellung wird fast ausschließlich Polyacrylnitril (PAN) verwendet, das vor dem Schmelzen irreversible exotherme Zyklisierungsreaktionen aufweist, welchen sich seine Zersetzung anschließt. Eine Möglichkeit der Reduzierung der Schmelztemperatur von Polymeren ist die Einbringung von Comonomeren zur Erhöhung des freien Volumens und die Reduzierung der intermolekularen Wechselwirkungen als interne Weichmacher. Wie am Fraunhofer IAP gezeigt wurde, kann mittels 2-Methoxyethylacrylat (MEA) die Schmelztemperatur zu neuartigen PAN-basierten Precursoren verringert werden. Um den PAN-co-MEA-Precursor für die nachfolgenden Prozessschritte der Carbonfaserherstellung zu verwenden, müssen die thermoplastischen Fasern in thermisch stabile Fasern ohne thermoplastisches Verhalten überführt werden. Es wurde ein neuer Prozessschritt (Prästabilisierung) eingeführt, welcher unter alkalischen Bedingungen zur Abspaltung der Comonomerseitenkette führt. Neben der Esterhydrolyse finden Reaktionen statt, welche an diesem Material noch nicht hinreichend untersucht wurden. Weiterhin stellt sich die Frage nach der Kinetik der Prästabilisierung und der Ermittlung einer geeigneten Prozessführung. Hierzu wurde die Prästabilisierung in den Labormaßstab überführt und die möglichen Zusammensetzungen des aus DMSO und einer KOH-Lösung bestehenden Reaktionsmediums evaluiert. Weiterhin wurde die Behandlung bei verschiedenen Prästabilisierungszeiten von maximal 30 min und Temperaturen von 40, 50 und 60 °C durchgeführt, um primär mittels NMR-Spektroskopie die chemischen Strukturänderungen aufzuklären. Die Esterhydrolyse des Comonomers, welche zur Abspaltung des 2-Methoxyethanols führt, wurde mittels 1H-NMR-spektroskopischer Untersuchungen detektiert. Es wurde ein Modell aufgestellt, das die chemisch-physikalischen Strukturänderungen während der Prästabilisierung aufzeigt. Die zuerst ablaufende Reaktion ist die Esterhydrolyse am Comonomer, welche vom Faserrand nach innen verläuft und durch die Präsenz des DMSO in Kombination mit der KOH-Lösung (Superbase) initiiert wird. Der zeitliche Reaktionsverlauf der Esterhydrolyse kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Der erste Bereich ab dem Prästabilisierungsbeginn wird durch die Diffusion der basischen Anionen in die Faser, der zweite Bereich durch die Reaktion an der Estergruppe des Comonomers und der dritte Bereich durch letzte Reaktionen im Faserinneren und diffusiven Prozessen der Produkte und Edukte charakterisiert. Der zweite Bereich kann mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung abgebildet werden, da in diesem Bereich bereits eine ausreichende Diffusion der Edukte in die Faser stattgefunden hat. Bei 50 °C spielt die Diffusion im ersten Bereich im Vergleich zur Reaktion eine untergeordnete Rolle. Mit Erhöhung der Temperatur auf 60 °C kann eine im Verhältnis geringere Diffusions- als Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden. Die Nebenreaktionen wurden mittels 13C-CP/MAS-NMR-spektroskopischen, elementaranlaytischen Untersuchungen sowie Doppelbrechungsmessungen charakterisiert. Während der alkalischen Esterhydrolyse beginnt die Reduzierung der Nitrilgruppen unter der Bildung von primären Carbonsäureamiden und Carbonsäuren. Zur Beschreibung dieser Umsetzung wurde eine Methode entwickelt, welche die Addition von 13C-CP/MAS-NMR-Spektren der Modellsubstanzen PAN, PAM und PAA beinhaltet. Weitere stattfindende Reaktionen sind die Bildung von konjugierten Doppelbindungen, welche insbesondere auf eine Zyklisierung der Nitrile hinweisen. Die nasschemisch initiierte Zyklisierung der Nitrilgruppen kann zu kürzeren Stabilisierungszeiten und einem besser kontrollierbaren Stabilisierungsprozess durch geringere Wärmefreisetzung und schlussendlich zu einer Kostenersparnis des gesamten Verfahrens führen. Die Umsetzung der Nitrilgruppen konnte mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung gut abgebildet werden. DMSO initiiert die Esterhydrolyse, wobei die KOH-Konzentration einen höheren Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Ester- und Nitrilhydrolyse als die DMSO-Konzentration besitzt. Beide Reaktionen zeigen eine vergleichbare Abhängigkeit von der Temperatur. Die Erhöhung der Prästabilisierungszeit und der KOH- bzw. DMSO-Konzentration führt zur Migration niedermolekularer Bestandteile des Fasermaterials an die Oberfläche und der Bildung punktueller Ablagerungen bis hin zu miteinander verbundenen Einzelfasern. Eine weitere Erhöhung der Prästabilisierungszeit bzw. der Konzentration führt zu einem steigenden Carbonsäureanteil und zur Quellung des Fasermaterials, wodurch die Ablagerungen in das Reaktionsmedium diffundieren. Die Ablagerungen enthalten Chlor, welches durch den Waschvorgang mit HCl in das Materialsystem gelangt ist und durch Parameteranpassungen reduziert wurde. Die schmelzbaren Fasern konnten durch die Prästabilisierung erfolgreich über eine Kern-Mantel-Struktur in nicht-thermoplastische Fasern überführt werden. Zur Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters für nachfolgende thermische Beanspruchungen der prästabilisierten Fasern wurden drei Kriterien identifiziert, anhand welcher die Evaluation erfolgte. Das erste Kriterium beinhaltet die Notwendigkeit der vollständigen Aufhebung der thermoplastischen Eigenschaft der Fasern. Als zweites Kriterium diente die Fasermorphologie. Anhand von REM-Aufnahmen wurden Faserbündel mit separierten Einzelfasern ohne Ablagerungen für die nachfolgende Stabilisierung ausgewählt. Das dritte Kriterium bezieht sich auf eine möglichst geringe Umsetzung der Nitrilgruppen, um Prästabilisierungsbedingungen mit Nebenreaktionen zu vermeiden. Aus den Untersuchungen konnte eine Prästabilisierungstemperatur von 60 °C als geeignet identifiziert werden. Weiterhin führen hoch alkalische Zusammensetzungen des Reaktionsmediums mit KOH-Konzentrationen von 1, 1,5 und 2 M, vorzugsweise 1,5 M und 50 vol% DMSO mit Reaktionszeiten von unter 10 min zu geeigneten Fasern. Ein MEA-Anteil unterhalb von 2 mol% bewirkt eine Überführung in die Unschmelzbarkeit. Thermisch stabile und für die nachfolgende Stabilisierung geeignete Fasern besitzen weiterhin 68 – 80 mol% Nitrilgruppen, 20 – 25 mol% Carbonsäuren, bis zu 15 mol% primäre Carbonsäureamide und zyklisierte Strukturen.

We develop a model of stochastic radiation pressure for rotating non-spherical particles and apply the model to circumplanetary dynamics of dust grains. The stochastic properties of the radiation pressure are related to the ensemble-averaged characteristics of the rotating particles, which are given in terms of the rotational time-correlation function of a grain. We investigate the model analytically and show that an ensemble of particle trajectories demonstrates a diffusion-like behaviour. The analytical results are compared with numerical simulations, performed for the motion of the dusty ejecta from Deimos in orbit around Mars. We find that the theoretical predictions are in a good agreement with the simulation results. The agreement however deteriorates at later time, when the impact of non-linear terms, neglected in the analytic approach, becomes significant. Our results indicate that the stochastic modulation of the radiation pressure can play an important role in the circumplanetary dynamics of dust and may in case of some dusty systems noticeably alter an optical depth. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.