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Fortschritte im Verständnis der Dynamik arktischer Seesysteme: Eine datengetriebene Perspektive auf raumzeitliche Muster
No full textEcosystems 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.Ökosysteme spielen eine zentrale Rolle bei der Bewältigung des Klimawandels, gelten jedoch auch als äußerst anfällig für drastische Umweltveränderungen. Die Erforschung ihrer historischen Dynamiken kann unser Verständnis darüber verbessern, wie sich zukünftige Veränderungen angesichts beispielloser Umweltveränderungen auf sie auswirken können. Angesichts des enormen Stresses, dem arktische Seen durch den Klimawandel ausgesetzt sind, können konkrete Fälle aus der Vergangenheit helfen, mögliche Schwankungen im Ökosystem des Sees besser zu verstehen und zu deuten. Einzelne Seesysteme unterliegen jedoch einer inhärenten Komplexität und vielschichtigen Beschaffenheit. Klassische Einzelanalysen von Seen liefern oft keine globale Perspektive, da lokale Besonderheiten – wie individuelle Seeparameter, Einzugsgebiete und Seehistorien – allgemeinere Schlussfolgerungen überlagern können. Eine differenzierte Herangehensweise ist hierbei erforderlich, um Seesysteme im globalen Kontext angemessen zu analysieren.
Ein Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die datenwissenschaftliche Analyse von sedimentologischen Daten aus mehreren nördlichen Seesystemen. Diese Dissertation fokussiert sich dabei auf das Gebiet des nördlichen Eurasiens mit einem besonderen Fokus auf Seesystem in Russland (n=59). Die gesammelten sedimentologischen Daten für diese Doktorarbeit mussten hierfür zunächst standardisiert und homogenisiert werden. Hierfür wurde ein konzeptuelles Modell für die Integration und Standardisierung von heterogenen Multi-Proxy-Daten in ein relationales Datenbankverwaltungssystem (PostgreSQL) entworfen. Die Erstellung einer Datenbank aus der gesammelten Datenkollektion ermöglichte die numerische, vergleichende Analyse zwischen räumlich getrennten Seen als auch zwischen verschiedenen Proxys.
Eine Analyse von mehreren Seen erforderte zudem eine gemeinsame Analyseebene, welche wir durch die Umwandlung von einer Tiefenabhängigkeit zu Altersabhängigkeit der Proxywerte erreichten. Diese bedurfte aber, dass die zugehörigen Alter von Proxywerte von allen Seen mit demselben Verfahren einer Alterstiefenmodellsoftware berechnet werden müssen. Angesichts der weitreichenden Implikationen und potenziellen Fallstricke entwickelten wir den LANDO-Ansatz („Linked Age and Depth Modelling“). LANDO stellt eine innovative Integration mehrerer Alters-Tiefen-Modellierungssoftware in eine einheitliche, kohärente Plattform (Jupyter Notebook) dar. Neben seiner Fähigkeit, Daten von fünf renommierten Alters-Tiefen-Modellierungssoftware zu aggregieren, ermöglicht LANDO es den Nutzern auf einzigartige Weise, unbegründete Modellergebnisse anhand robuster geowissenschaftlicher Daten herauszufiltern. Unsere Methode ist nicht nur neuartig, sondern steigert auch signifikant die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Seeanalysen.
Schlussendlich unter Berücksichtigung der vorangegangenen Schritte betrachtet die Doktorarbeit den Zusammenhang zwischen Kohlenstoff in Sedimenten und Temperatur über die letzten 21 000 Jahre. Zunächst nehmen wir an, dass es eine positive Korrelation zwischen Kohlenstoffakkumulation in Seen und modellierter Paläo-Temperatur gibt. Diese kann dank des homogenisierten Datensatzes von heterogenen Seen bestätigt werden, wenn auch die höchsten Temperaturen über unseren Betrachtungszeitraum nicht korrelieren mit den höchsten Kohlenstoffwerten. Wir gehen davon aus, dass schnelle Erwärmungsereignisse eher zu einer hohen Akkumulation beitragen, während bestehende Erwärmung eher zu einer Ausgasung von Kohlenstoff führt. In Anbetracht der aktuellen hohen Konzentration von Kohlenstoff in der Atmosphäre und der steigenden Temperaturen, können bei einem weiterführenden Klimawandel nördliche Seesysteme zu einem weiteren Anstieg von atmosphärischem Kohlenstoff führen (positive Feedbackschleife). Obwohl die bemerkenswerten Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz aus standardisierten Daten und LANDO zuverlässig ist, könnte eine größere Datenmenge das Vertrauen in die Ergebnisse noch weiter stärken
Synthesis of Monomers based on Renewable Resources and their Polymerization
No full textDie 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.The subject of this work is the synthesis and polymerization of monomers based on renewable material e. g. commercially available phenylpropanoides (eugenol, iso-eugenol, cinnamyl alcohol, anethol, and estragol) containing in spices and essential oils, the terpenoid myrtenol, as well as material derived from the bark of a birch (Betula pendula) and cork oak (Quercus suber). Selected phenylpropanoides (eugenol, iso-eugenol and cinnamyl alcohol) and the terpenoid myrtenol were first transferred to the lauryl ester followed by epoxidation of the olefinic structure to yield 4 new (2-methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)-phenyl dodecanoate, 2-methoxy-4-(3-methyloxiran-2-yl)phenyl dodecanoate, (3-phenyloxiran-2-yl)methyl dodecanoate, (7,7-dimethyl-3-oxatricyclo[4.1.1.02,4]octan-2-yl)methyl dodecanoate) and 2 already known monofunctional epoxides (2-(4-methoxybenzyl)oxirane and 2-(4-methoxy-phenyl)-3-methyloxirane), which were investigated using 1H-NMR-, 13C-NMR- and FT-IR- spectroscopy, and DSC. Photo-DSC investigation of the cationic polymerization of the epoxy monomers at 40 °C revealed the maximum polymerization rate (Rpmax: 0,005 s-1 to 0,038 s-1) and the time (tmax: 13 s to 26 s) to obtain the Rpmax value. Liquid oligomers were obtained with a number average degree of polymerization between 3 and 6, as determined by GPC. The reaction of 2-methoxy-4-(oxiran-2-ylmethyl)phenyl dodecanoate with methacrylic acid resulted in a mixture of isomers (2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)-phenyl dodecanoate and 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyl dodecanoate). Free radical photopolymerization of this isomeric mixture, studied by photo-DSC (Rpmax: 0,105 s-1 and tmax: 5 s), resulted in solid polymers that were insoluble in chloroform.
Two crystalline ω-hydroxy fatty acids (9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid and 22-hydroxydocosanoic acid) were selectively isolated from cork powder and powdered birch bark. The cationic photopolymerization of 9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid resulted in a nearly colorless transparent film that was elastic at room temperature. Therefore, it has an application potential in the manufacture of coatings. The reaction of 9,10-epoxy-18-hydroxyoctadecanoic acid with methacrylic acid resulted in a mixture of two constitutional isomers (9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)octadecanoic acid and 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecanoic acid), which is liquid at room temperature (Tg: -60 °C). The radical photopolymerization of these constitutional isomers was also studied by photo-DSC (Rpmax: 0,098 s-1 and tmax: 3,8 s). The reaction of 22-hydroxydocosanoic acid with methacryloyl chloride yielded crystalline 22-(methacryloyloxy)docosanoic acid, which was studied by photo-DSC in a radical photopolymerization (Rpmax: 0,023 s-1 and tmax: 9,6 s).
The homopolymerization of both 22-(methacryloyloxy)docosanoic acid and the isomeric mixtures consisting of 2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoate and 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxypropyl)phenyl dodecanoat as well as 9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)octadecanoic acid and 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecanoic acid resulted in solid soluble polymers, which were characterized by 1H-NMR- and FT-IR-spectroscopy, GPC (poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoat / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxy-propyl)phenyl dodecanoate): Pn = 94), and DSC (poly(2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoate / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyloxy)-3-hydroxy-propyl)phenyl dodecanoate): Tg: 52 °C; poly(9,18-dihydroxy-10-(methacryloyloxy)-octadecanoic acid / 9-(methacryloyloxy)-10,18-dihydroxyoctadecanoic acid): Tg: 10 °C; poly(22-(methacryloyloxy)docosanoic acid): Tm: 74,1 °C, this melting temperature is comparable to that of the photopolymer (Tm = 76,8 °C)).
The already known monomer 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butane-2-one was synthesized from 4-(4-hydroxyphenyl)butan-2-one obtained from birch bark and polymerized under identical conditions for comparison with the new monomers. The free radical polymerization resulted in poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one) (Pn: 214 and Tg: 83 °C). Besides the homopolymerization, a random copolymerization of the 2-methoxy-4-(2-hydroxy-3-(methacryloyloxy)propyl)phenyl dodecanoate / 2-methoxy-4-(2-(methacryloyl-oxy)-3-hydroxypropyl)phenyl dodecanoate isomer mixture with 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one was also investigated, which resulted in an increase in the yield, molecular weight distribution and dispersity of the copolymer (Tg: 44 °C) at a stoichiometric ratio of the monomers. The application of diethyl carbonate as „green“ solvent in the free radical homopolymerization of both 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one and lauryl methacrylate initiated with AIBN resulted in a comparable degree of polymerization of the homopolymers obtained (Pn: 150). However, due to the structural differences of the monomer segments, different glass transition temperatures were obtained for poly(4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one) (Tg: 70 °C) and poly(lauryl methacrylate) (Tg: -49 °C). A random copolymerization of a stoichiometric ratio of the monomers in diethyl carbonate resulted in a slightly preferential incorporation of the 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one in the copolymer (Tg: 17 °C) after a polymerization time of 60 min. Copolymerization diagrams for free radical copolymerizations of 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one with either n-butyl methacrylate or 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (t: 20 min to 60 min; molar fraction (X) for 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one: 0,2; 0,4; 0,6 and 0,8) showed an almost ideal azeotropic copolymerization behavior, although a slightly preferential incorporation of the 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one was observed in the copolymers. An increase in both yield and glass transition temperature of the copolymers obtained correlated with an increasing content on 4-(4-methacryloyloxyphenyl)butan-2-one in the reaction mixture. Good agreement was found between the glass transition temperatures calculated using the modified Gibbs-DiMarzio equation and the measured values for the copolymers. This is a good basis for determining the glass transition temperature of a copolymer of any composition
Communicating Cartel Intentions
No full textWhile the economic harm of cartels is caused by their price-increasing effect, sanctioning by courts rather targets at the underlying process of firms reaching a price-fixing agreement. This paper provides experimental evidence on the question whether such sanctioning meets the economic target, i.e., whether evidence of a collusive meeting of the firms and of the content of their communication reliably predicts subsequent prices. We find that already the mere mutual agreement to meet predicts a strong increase in prices. Conversely, express distancing from communication completely nullifies its otherwise price-increasing effect. Using machine learning, we show that communication only increases prices if it is very explicit about how the cartel plans to behave
Promoting individual health tesponsibility in the welfare state
No full textThe public health insurance in Germany will face huge economic challenges in the upcoming years. New diagnostic and therapeutic methods as well as the demographic change contribute to constantly rising expenditure. Although incentives for health-promoting behaviour or financial sanctions for an unhealthy lifestyle have been already discussed in the past, there has been a general reluctance to legally establish corresponding mechanisms for fear of eroding solidarity and increasing state control. In the course of the Coronavirus pandemic however, a stronger awareness rose to the fact that personal health-related life choices can have a huge impact on the stability of the healthcare system including public health insurance. Not only in Germany but throughout much of Europe, the pandemic led to a new and more fundamental debate about the relationship between individual responsibility for personal health and the wider responsibility for public health assumed by the community of solidarity
Lobbyismus in der deutschen Politik
No full textDer Band präsentiert eine systematische Aufbereitung empirischer Befunde zum Lobbyismus in Deutschland und vermittelt, wie Lobbyist*innen, Entscheidungsträger*innen und institutionelle Rahmen miteinander interagieren. Untersucht werden politische Aktivitäten von sozialen Bewegungen, Verbänden, Unternehmen und Beratungsfirmen im Bundestag, der Bundesregierung und der Öffentlichkeit
Cosmic-ray transport and signatures in their local environment
No full textThe origin and structure of magnetic fields in the Galaxy are largely unknown. What is known is that they are essential for several astrophysical processes, in particular the propagation of cosmic rays. Our ability to describe the propagation of cosmic rays through the Galaxy is severely limited by the lack of observational data needed to probe the structure of the Galactic magnetic field on many different length scales. This is particularly true for modelling the propagation of cosmic rays into the Galactic halo, where our knowledge of the magnetic field is particularly poor.
In the last decade, observations of the Galactic halo in different frequency regimes have revealed the existence of out-of-plane bubble emission in the Galactic halo. In gamma rays these bubbles have been termed Fermi bubbles with a radial extent of ≈ 3 kpc and an azimuthal height of ≈ 6 kpc. The radio counterparts of the Fermi bubbles were seen by both the S-PASS telescopes and the Planck satellite, and showed a clear spatial overlap. The X-ray counterparts of the Fermi bubbles were named eROSITA bubbles after the eROSITA satellite, with a radial width of ≈ 7 kpc and an azimuthal height of ≈ 14 kpc. Taken together, these observations suggest the presence of large extended Galactic Halo Bubbles (GHB) and have stimulated interest in exploring the less explored Galactic halo.
In this thesis, a new toy model (GHB model) for the magnetic field and non-thermal electron distribution in the Galactic halo has been proposed. The new toy model has been used to produce polarised synchrotron emission sky maps. Chi-square analysis was used to compare the synthetic skymaps with the Planck 30 GHz polarised skymaps. The obtained constraints on the strength and azimuthal height were found to be in agreement with the S-PASS radio observations.
The upper, lower and best-fit values obtained from the above chi-squared analysis were used to generate three separate toy models. These three models were used to propagate ultra-high energy cosmic rays. This study was carried out for two potential sources, Centaurus A and NGC 253, to produce magnification maps and arrival direction skymaps. The simulated arrival direction skymaps were found to be consistent with the hotspots of Centaurus A and NGC 253 as seen in the observed arrival direction skymaps provided by the Pierre Auger Observatory (PAO).
The turbulent magnetic field component of the GHB model was also used to investigate the extragalactic dipole suppression seen by PAO. UHECRs with an extragalactic dipole were forward-tracked through the turbulent GHB model at different field strengths. The suppression in the dipole due to the varying diffusion coefficient from the simulations was noted. The results could also be compared with an analytical analogy of electrostatics. The simulations of the extragalactic dipole suppression were in agreement with similar studies carried out for galactic cosmic rays.Unsere Galaxie wird ständig von hochenergetischen geladenen Teilchen unterschiedlicher Energie bombardiert, die als kosmische Strahlung bezeichnet werden und deren Ursprung nicht bekannt ist. Satelliten- und erdgestützte Messungen haben bisher ergeben, dass es in unserer Galaxie Beschleuniger für kosmische Strahlung gibt, z. B. die Überreste explodierender Sterne (Supernova-Überreste), aber bei den höchsten kosmischen Strahlungsenergien bleiben die Quellen ein Rätsel. Fortschritte zu erzielen ist eine Herausforderung, auch weil die kosmische Strahlung durch Magnetfelder abgelenkt wird, was bedeutet, dass die beobachtete Richtung mit der Richtung der Quelle übereinstimmen kann oder auch nicht. Unsere Galaxie weist starke Magnetfelder auf, deren Beschaffenheit noch nicht gut verstanden ist, insbesondere in der Komponente außerhalb der Scheibe (dem galaktischen Halo). Darüber hinaus haben Beobachtungen in den letzten zehn Jahren blasenartige Strukturen im galaktischen Halo mit enormen Gesamtenergien aufgedeckt, die auch als galaktische Halo-Blasen bezeichnet werden. All dies motiviert uns, den galaktischen Halo zu untersuchen.
In meiner Doktorarbeit schlagen wir ein neues, vereinfachtes Magnetfeldmodell für galaktische Halo-Blasen vor. Das Modell umfasst sowohl strukturierte als auch turbulente Komponenten des Magnetfelds. Das vereinfachte Modell wurde mit Beobachtungsdaten verglichen, um den am besten passenden Parametersatz zusammen mit den Unsicherheiten zu erhalten.
Ich untersuchte die Propagation der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung durch das vereinfachte Modell und untersuchte dessen Auswirkungen auf die Ankunftsrichtungen der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung für zwei potenzielle Quellen, Centaurus~A und NGC~253.
Außerdem habe ich sowohl numerisch als auch analytisch abgeschätzt, wie stark ein Dipol der extragalaktischen kosmischen Strahlung durch verschiedene Konfigurationen der turbulenten Magnetfelder des vereinfachten Modells unterdrückt wird.
Die Ergebnisse all dieser Arbeiten werden in dieser Arbeit im Detail vorgestellt
Digital Fashion
No full textDas virtuelle Kleid als mediale und soziokulturelle Alltagserscheinung der Gegenwart bildet den Gegenstand der vorliegenden interdisziplinären Unter-suchung. An der Schnittstelle zwischen Menschen, Medien und Mode ist das virtuelle Kleid an unrealen Orten und in synthetischen Situationen ausschließlich auf einem Screen erfahrbar. In diesem Dispositiv lassen sich Körperkonzepte, Darstellungskonventionen, soziale Handlungsmuster und Kommunikations-strategien ausmachen, die zwar auf einer radikalen Ablösung vom textilen Material beruhen, aber dennoch nicht ohne sehr konkrete Verweise auf das textile Material auskommen. Dies führt zu neuen Ansätzen der Auseinandersetzung mit Kleidern, die nun als Visualisierung gebündelter Datenpakete zu betrachten sind. Die dynamische Entwicklung neuer Erscheinungsformen und deren nahtlose Einbindung in traditionelle Geschäftsmodelle und bestehende Modekonzepte macht eine Positionsbestimmung notwendig, insbesondere im Hinblick auf gegenwärtige Nachhaltigkeitsdiskurse um immaterielle Produkte. Für diese Studie liefern die hinter den Bildern liegenden Prozesse der ökonomischen Ausrichtung, der Herstellung, der Verwendung und der Rezeption den methodologischen Zugang für die Analyse. Mithilfe eines typologisierenden Instrumentariums wird aus der Vielzahl und Vielfalt der Darstellungen ein Set an forschungsleitenden Beispielen zusammengestellt, welche dann in einer mehrstufigen Kontextanalyse zu einer begrifflichen Fassung des virtuellen Kleides sowie zu fünf Kontexteinheiten führen. Am Beispiel des virtuellen Kleides zeichnet diese Untersuchung den technischen, gesellschaftlichen und sozialen Wandel nach und arbeitet seine Bedeutung für zukünftige Modeentwicklungen heraus. Damit leistet die Untersuchung einen Beitrag zur medien- und sozialwissenschaftlichen Modeforschung der Gegenwart.The subject of this interdisciplinary investigation is the virtual dress as a medial and socio-cultural everyday phenomenon of the present. Situated at the interface between people, media and fashion, the virtual dress can only be experienced on a screen in unreal spaces and synthetic situations. In this dispositive, body concepts, conventions of representation, social patterns of action and communication strategies can be identified that hinge on a radical detachment from the textile material but nevertheless cannot do without concrete references to the textile material. This leads to a new approach in dealing with clothes, now visualizations of bundled data packets. The dynamic development of new virtual garments and their seamless integration into established business models and existing fashion concepts makes it necessary to interrogate the phenomenon, especially concerning current discourses on the sustainability of intangible products. Within this study, the processes of economic orientation, production, use and reception behind the images provide the methodological approach for the analysis. Through typologizing instruments, a set of research-guiding examples is compiled from the multitude and variety of examples. This leads to a conceptual understanding of the virtual dress and five context units in a multi-stage context analysis. Using the example of the virtual dress, this study traces technical, societal and social change and works out its significance for future fashion developments. In this way, the study contributes to contemporary media and social science fashion research
Energieverluste in organischen Solarzellen mit geringer Versetzung
No full textOrganic solar cells (OSCs) represent a new generation of solar cells with a range of captivating attributes including low-cost, light-weight, aesthetically pleasing appearance, and flexibility. Different from traditional silicon solar cells, the photon-electron conversion in OSCs is usually accomplished in an active layer formed by blending two kinds of organic molecules (donor and acceptor) with different energy levels together.
The first part of this thesis focuses on a better understanding of the role of the energetic offset and each recombination channel on the performance of these low-offset OSCs. By combining advanced experimental techniques with optical and electrical simulation, the energetic offsets between CT and excitons, several important insights were achieved: 1. The short circuit current density and fill-factor of low-offset systems are largely determined by field-dependent charge generation in such low-offset OSCs. Interestingly, it is strongly evident that such field-dependent charge generation originates from a field-dependent exciton dissociation yield. 2. The reduced energetic offset was found to be accompanied by strongly enhanced bimolecular recombination coefficient, which cannot be explained solely by exciton repopulation from CT states. This implies the existence of another dark decay channel apart from CT.
The second focus of the thesis was on the technical perspective. In this thesis, the influence of optical artifacts in differential absorption spectroscopy upon the change of sample configuration and active layer thickness was studied. It is exemplified and discussed thoroughly and systematically in terms of optical simulations and experiments, how optical artifacts originated from non-uniform carrier profile and interference can manipulate not only the measured spectra, but also the decay dynamics in various measurement conditions. In the end of this study, a generalized methodology based on an inverse optical transfer matrix formalism was provided to correct the spectra and decay dynamics manipulated by optical artifacts.
Overall, this thesis paves the way for a deeper understanding of the keys toward higher PCEs in low-offset OSC devices, from the perspectives of both device physics and characterization techniques.Organische Solarzellen (OSZ) repräsentieren eine neue Generation von Solarzellen mit einer Vielzahl faszinierender Eigenschaften, darunter geringe Kosten, geringes Gewicht, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und Flexibilität. Im Gegensatz zu traditionellen Silizium-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photonen in Elektronen in OSZ in der Regel in einer aktiven Schicht, die durch das Mischen von zwei Arten organischer Moleküle (Donator und Akzeptor) mit unterschiedlichen Energieniveaus gebildet wird.
Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ein besseres Verständnis der Rolle des energetischen Versatzes und jedes Rekombinationskanals auf die Leistung dieser OSCs mit geringem Versatz. Durch die Kombination fortschrittlicher experimenteller Techniken mit optischer und elektrischer Simulation wurden wichtige Erkenntnisse über die energetischen Versätze zwischen CT und Exzitonen erlangt: 1. Die Stromdichte im Kurzschluss und der Füllfaktor von Systemen mit geringem Versatz werden weitgehend durch feldabhängige Ladungsgenerierung in solchen OSZ mit geringem Versatz bestimmt. Interessanterweise ist deutlich erkennbar, dass eine feldabhängige Ladungsgenerierung aus einer feldabhängigen Exzitonen-Dissociationsausbeute resultiert. 2. Der reduzierte energetische Versatz geht mit einem stark erhöhten bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einher, der nicht allein durch die Wiederbevölkerung von Exzitonen aus CT-Zuständen erklärt werden kann. Dies deutet auf die Existenz eines anderen dunklen Zerfallsweges neben CT hin.
Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der technischen Perspektive. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von optischen Artefakten in der differentiellen Absorptionsspektroskopie auf die Änderung der Probekonfiguration und der aktiven Schichtdicke untersucht. Es wird anhand optischer Simulationen und Experimente ausführlich und systematisch dargelegt und diskutiert, wie optische Artefakte, die durch ein nicht gleichmäßiges Ladungsprofil und Interferenzen verursacht werden, nicht nur die gemessenen Spektren, sondern auch die Zerfalldynamik in verschiedenen Messbedingungen manipulieren können. Am Ende dieser Studie wurde eine generalisierte Methodik auf Basis eines inversen optischen Übertragungsmatrixformalismus bereitgestellt, um die durch optische Artefakte manipulierten Spektren und Zerfalldynamiken zu korrigieren.
Insgesamt ebnet diese Arbeit den Weg für ein tieferes Verständnis der Schlüsselaspekte für höhere Wirkungsgrade in OSZ mit geringem Versatz, sowohl aus Sicht der Gerätephysik als auch der Charakterisierungstechniken
On the influence of density and morphology on the Urban Heat Island intensity
No full textThe urban heat island (UHI) effect, describing an elevated temperature of urban areas compared with their natural surroundings, can expose urban dwellers to additional heat stress, especially during hot summer days. A comprehensive understanding of the UHI dynamics along with urbanization is of great importance to efficient heat stress mitigation strategies towards sustainable urban development. This is, however, still challenging due to the difficulties of isolating the influences of various contributing factors that interact with each other. In this work, I present a systematical and quantitative analysis of how urban intrinsic properties (e.g., urban size, density, and morphology) influence UHI intensity.
To this end, we innovatively combine urban growth modelling and urban climate simulation to separate the influence of urban intrinsic factors from that of background climate, so as to focus on the impact of urbanization on the UHI effect. The urban climate model can create a laboratory environment which makes it possible to conduct controlled experiments to separate the influences from different driving factors, while the urban growth model provides detailed 3D structures that can be then parameterized into different urban development scenarios tailored for these experiments. The novelty in the methodology and experiment design leads to the following achievements of our work.
First, we develop a stochastic gravitational urban growth model that can generate 3D structures varying in size, morphology, compactness, and density gradient. We compare various characteristics, like fractal dimensions (box-counting, area-perimeter scaling, area-population scaling, etc.), and radial gradient profiles of land use share and population density, against those of real-world cities from empirical studies. The model shows the capability of creating 3D structures resembling real-world cities. This model can generate 3D structure samples for controlled experiments to assess the influence of some urban intrinsic properties in question. [Chapter 2]
With the generated 3D structures, we run several series of simulations with urban structures varying in properties like size, density and morphology, under the same weather conditions. Analyzing how the 2m air temperature based canopy layer urban heat island (CUHI) intensity varies in response to the changes of the considered urban factors, we find the CUHI intensity of a city is directly related to the built-up density and an amplifying effect that urban sites have on each other. We propose a Gravitational Urban Morphology (GUM) indicator to capture the neighbourhood warming effect. We build a regression model to estimate the CUHI intensity based on urban size, urban gross building volume, and the GUM indicator. Taking the Berlin area as an example, we show the regression model capable of predicting the CUHI intensity under various urban development scenarios. [Chapter 3]
Based on the multi-annual average summer surface urban heat island (SUHI) intensity derived from Land surface temperature, we further study how urban intrinsic factors influence the SUHI effect of the 5,000 largest urban clusters in Europe. We find a similar 3D GUM indicator to be an effective predictor of the SUHI intensity of these European cities. Together with other urban factors (vegetation condition, elevation, water coverage), we build different multivariate linear regression models and a climate space based Geographically Weighted Regression (GWR) model that can better predict SUHI intensity. By investigating the roles background climate factors play in modulating the coefficients of the GWR model, we extend the multivariate linear model to a nonlinear one by integrating some climate parameters, such as the average of daily maximal temperature and latitude. This makes it applicable across a range of background climates. The nonlinear model outperforms linear models in SUHI assessment as it captures the interaction of urban factors and the background climate. [Chapter 4]
Our work reiterates the essential roles of urban density and morphology in shaping the urban thermal environment. In contrast to many previous studies that link bigger cities with higher UHI intensity, we show that cities larger in the area do not necessarily experience a stronger UHI effect. In addition, the results extend our knowledge by demonstrating the influence of urban 3D morphology on the UHI effect. This underlines the importance of inspecting cities as a whole from the 3D perspective. While urban 3D morphology is an aggregated feature of small-scale urban elements, the influence it has on the city-scale UHI intensity cannot simply be scaled up from that of its neighbourhood-scale components. The spatial composition and configuration of urban elements both need to be captured when quantifying urban 3D morphology as nearby neighbourhoods also cast influences on each other. Our model serves as a useful UHI assessment tool for the quantitative comparison of urban intervention/development scenarios. It can support harnessing the capacity of UHI mitigation through optimizing urban morphology, with the potential of integrating climate change into heat mitigation strategies.Der städtische Wärmeinseleffekt (engl. Urban Heat Island – UHI) beschreibt höhere Temperaturen in städtischen Gebieten im Vergleich zur natürlichen Umgebung, was zu einer erhöhten Hitzebelastung für städtische Bewohner führt. Das Verständnis der UHI-Dynamik im Zusammenhang mit der Urbanisierung ist entscheidend für die Entwicklung effektiver Strategien zur Minderung von Hitzestress und für eine nachhaltige städtische Entwicklung. Es bleibt jedoch herausfordernd, die Einflüsse verschiedener Faktoren zu trennen. Diese Arbeit stellt eine systematische und quantitative Analyse dar, inwieweit die Eigenschaften einer Stadt wie Dichte und Form die UHI-Intensität beeinflussen können.
Zu diesem Zweck kombinieren wir das Modellieren des Stadtwachstums und des Stadtklimas, um den Einfluss städtischer Faktoren von der Hintergrundklimatologie zu trennen und den Fokus auf die Auswirkungen der Urbanisierung auf den UHI-Effekt zu legen. Mittels des Stadtklimamodels mit kontrollierten Einstellungen können die Auswirkungen verschiedener treibender Faktoren bewertet werden, während das Stadtwachstumsmodell detaillierte 3D-Strukturen für verschiedene Stadtentwicklungsszenarien erzeugt.
Wir stellen ein physikalisches Stadtwachstumsmodell vor, das 3D-Strukturen mit unterschiedlicher Größe, Form, Dichte und Verteilung erzeugen kann. Wir überprüfen die Genauigkeit des Modells, indem wir seine Eigenschaften mit denen realer Städte vergleichen. Mit den generierten 3D-Strukturen führen wir mehrere Simulationen unter den gleichen Wetterbedingungen durch, um zu untersuchen, wie Veränderungen in städtischen Faktoren wie Größe, Dichte und Form die UHI-Intensität beeinflussen. Die Studie zeigt, dass die Dichte der bebauten Fläche und die Wechselwirkungen zwischen städtischen Standorten direkt mit der UHI-Intensität zusammenhängen. Um den Einfluss der Nachbarschaftserwärmung zu messen, führen wir einen Indikator namens Gravitational Urban Morphology (GUM) ein. Darüber hinaus entwickeln wir ein Regressionsmodell, das die UHI-Intensität anhand der Stadtgröße, des gesamten Gebäudevolumens und des GUM-Indikators schätzt.
Des Weiteren untersuchen wir, wie bestimmte Faktoren in Städten den durch die Landoberflächentemperatur gemessenen städtischen Wärmeinseleffekt (engl. Surface Urban Heat Island – SUHI) in den 5.000 größten städtischen Ballungsräume in Europa beeinflussen. Hierbei stützen wir uns auf mehrjährige durchschnittliche Landoberflächentemperaturen während des Sommers. Wir stellen fest, dass ein ähnlicher GUM-Indikator ein effektiverer Vorhersagefaktor für die SUHI-Intensität. Um die Intensität der städtischen Wärmeinsel genauer vorhersagen zu können, berücksichtigen wir auch andere städtische Faktoren wie den Zustand der Vegetation, die Höhe, die Wasserfläche und Klimaparameter. Hierfür entwickeln wir verschiedene Regressionsmodelle. Das nichtlineare Modell, das Klimaparameter einbezieht und die Wechselwirkung zwischen städtischen Faktoren und dem Hintergrundklima berücksichtigt, erzielt bessere Ergebnisse als lineare Modelle bei der Bewertung der städtischen Wärmeinsel.
Die Arbeit beleuchtet die Bedeutung der Dichte und Form einer Stadt für die Entstehung ihrer eigenen thermischen Umgebung. Dabei wird die Annahme infrage gestellt, dass größere Städte zwangsläufig einen stärkeren UHI-Effekt haben. Stattdessen wird die Bedeutung der 3D-Struktur der Stadt hervorgehoben. Die Studie betont die Notwendigkeit, Städte als Ganzes und aus einer 3D-Perspektive zu betrachten. Der Einfluss der Stadtformen kann nicht einfach von kleineren Bestandteilen aufaddiert werden. Unser Modell ist ein nützliches Werkzeug, um verschiedene Stadtplanungsszenarien und ihre Auswirkungen quantitativ zu vergleichen. Es unterstützt auch die Bemühungen, den UHI-Effekt durch Optimierung der städtischen Morphologie zu reduzieren und den Klimawandel in Strategien zur Bekämpfung von Hitze einzubeziehen