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Soziale Partizipation und Persönlichkeitsentwicklung in der Adoleszenz im Kontext inklusiven Lernens
No full textDie Adoleszenz stellt eine besonders herausfordernde Lebensphase dar, in der Jugendliche komplexe Entwicklungsaufgaben, wie den Aufbau enger Peer-Beziehungen oder die Persönlichkeitsentwicklung, bewältigen müssen (Gniewosz & Titzmann, 2018). Darüber hinaus gilt eine erfolgreiche soziale Partizipation als ein zentrales Ziel schulischer Inklusion (Prengel, 2013), da sie sowohl auf den Lernprozess als auch auf eine gesunde psychosoziale Entwicklung einen bedeutsamen Einfluss hat (Böttinger, 2021; Juvonen et al., 2019). Daher müssen für Schülerinnen und Schüler mit einem sonderpädagogischen Förderbedarf (SPF) Gelegenheiten geschaffen werden, Kontakte zu Peers zu knüpfen, Freundschaften zu schließen und an der Klassengemeinschaft teilzunehmen (Monchy et al., 2004). Im inklusiven Kontext gelten soziale Interaktionen, Akzeptanz durch Peers, Freundschaften und die Selbstwahrnehmung der eigenen sozialen Partizipation als die vier zentralen Facetten sozialer Partizipation (Bossaert et al., 2013; Koster et al., 2009). Eine spezielle Form der Freundschaften bilden s.g. gruppenübergreifende Freundschaften zwischen Schülerinnen und Schülern mit einem und ohne einen SPF. Sie besitzen das besondere Potential, Vorurteile zu reduzieren und Kooperation zu fördern (Allport, 1954; Juvonen et al., 2019). Die vorhandenen empirischen Erkenntnisse zur sozialen Partizipation von Heranwachsenden stammen derzeit überwiegend aus dem Primarstufenbereich, während die soziale Partizipation von Jugendlichen mit einem SPF sowie die Zusammenhänge zwischen den Facetten bislang unzureichend erforscht sind. Des Weiteren wurde der Einfluss sozialer Partizipation auf die Persönlichkeitsentwicklung im inklusiven Kontext bisher nicht erforscht.
Ziel der vorliegenden Dissertation war es daher, die soziale Partizipation von Jugendlichen mit einem SPF sowie ihren Einfluss auf die Persönlichkeitsentwicklung zu untersuchen. Grundlage der vorliegenden kumulativen Dissertation bilden drei empirische Arbeiten. Zum Zeitpunkt der Einreichung waren Teilstudie 2 und 3 in Fachzeitschriften veröffentlicht. Teilstudie 1 befand sich im Peer-Review-Verfahren. Die zugrundeliegenden Daten aller drei Studien wurden im Rahmen der „Evaluation Gemeinsames Lernen und Schulzentren im Bundesland Brandenburg“ (Lenkeit et al., 2023) erhoben und beziehen sich auf N = 927 Schülerinnen und Schüler der sechsten und siebten Jahrgangstufe.
In Teilstudie 1 wurden verschiedene Facetten sozialer Partizipation von Jugendlichen untersuchen sowie Zusammenhänge zwischen den Facetten in einem Mediationsmodell geprüft. Jugendliche mit einem SPF erhielten im Vergleich zu ihren Peers signifikant weniger Peer-Nominierungen, hatten weniger Freundschaften und fühlten sich weniger in die Klasse integriert. Darüber hinaus bestätigte sich das angenommene Mediationsmodell: Der Zusammenhang zwischen einem SPF und der wahrgenommenen sozialen Partizipation wurde über Peer-Nominierungen und reziproke Freundschaften mediiert.
In Teilstudie 2 wurden erneut verschiedene Facetten sozialer Partizipation sowie deren Assoziationen untersucht. Im Fokus standen das wahrgenommene Klassenklima und Bullyingerfahrungen. Jugendliche mit einem SPF emotional-soziale Entwicklung (ESE) bewerteten das Klassenklima signifikant niedriger, berichteten jedoch nicht häufiger über Bullyingerfahrungen als Peers ohne SPF. Es zeigten sich signifikante Zusammenhänge zwischen Peer-Nominierungen, reziproken und gruppenübergreifenden Freundschaften mit dem wahrgenommenen Klassenklima und Bullyingerfahrungen. Weiter ließen sich signifikante Kompositionseffekte beobachten: In Klassen mit einer höheren Ausprägung an Peer-Nominierungen, reziproken und gruppenübergreifenden Freundschaften bewerteten Jugendliche das Klassenklima positiver.
In der längsschnitllich angelegten Teilstudie 3 wurde, ausgehend von dem dynamischen Persönlichkeits-Beziehungs-Transaktions-Modell (Neyer & Asendorpf, 2018), der Einfluss sozialer Partizipation auf die Persönlichkeitsentwicklung untersuchen. Hierfür wurde ein speziell für das Jugendalter entwickelte Inventar verwendet, welches das Funktionsniveau der Persönlichkeit erfasst (Goth et al., 2018). Mithilfe längsschnittlicher Analysen konnte der Einfluss der selbstwahrgenommenen sozialen Partizipation auf das Funktionsniveau der Persönlichkeit von Jugendlich bestätigt werden. Schülerinnen und Schüler, die ihre sozialen Beziehungen in der Klasse positiver einschätzten, verfügten über ein höheres Funktionsniveau der Persönlichkeit. Jugendliche mit einem SPF ESE zeigten im Vergleich zu ihren Peers ohne SPF ein signifikant geringeres Funktionsniveau, wobei sich die Gruppenunterschiede über die Zeit verringerten. Das Vorliegen eines SPF moderierte bzw. verstärkte somit nicht den Einfluss geringer sozialer Partizipation auf das Funktionsniveau der Persönlichkeit.
Die Befunde der vorliegenden Dissertation legen dar, dass bedeutsame Unterschiede in der sozialen Partizipation zwischen Jugendlichen mit einem und ohne einen SPF bestehen. In allen drei Teilstudien zeigte sich, dass vor allem Jugendliche mit einem SPF ESE eine geringe soziale Partizipation und ein niedrigeres Funktionsniveau ihrer Persönlichkeit aufwiesen. Auch wenn diese Befunde im Einklang mit nationalen und internationalen empirischen Erkenntnissen stehen, verdeutlichen sie, dass weiterhin großer Handlungsbedarf besteht. Es sind Maßnahmen notwendig, die noch intensiver als bisher auf die Stärkung des sozialen Miteinanders und Anerkennen von Vielfalt abzielen.Adolescence is a particularly challenging phase of life in which adolescents have to master complex developmental tasks such as building close peer relationships or personality development (Gniewosz & Titzmann, 2018). In addition, successful social participation is considered a central goal inclusion (Prengel, 2013), as it has a significant influence on both the learning process and healthy psychosocial development (Böttinger, 2021; Juvonen et al., 2019). Therefore, opportunities must be created for students with special educational needs (SEN) to socialise with peers, make friends and participate in the classroom community (Monchy et al., 2004). In an inclusive context, social interactions, acceptance by peers, friendships and self-perception of one's own social participation are considered the four central facets of social participation (Bossaert et al., 2013; Koster et al., 2009). Cross-group friendships between students with and without SEN are a special form of friendship. They have the particular potential to reduce prejudice and promote cooperation (Allport, 1954; Juvonen et al., 2019). The existing empirical findings on the social participation of students currently stem mainly from primary school, while the social participation of adolescents with SEN and the relationships between the facets have not yet been investigated satisfactorily. Furthermore, the influence of social participation on personality development in an inclusive context has not yet been researched.
The aim of this dissertation was, therefore, to analyse the social participation of adolescents with SEN and its influence on personality development. This cumulative dissertation is based on three empirical studies. At the time of submission, studies 2 and 3 had been published in specialist journals. Study 1 was in peer review process. All three studies are based on data collected as part of the 'Evaluation Gemeinsames Lernen und Schulzentren im Bundesland Brandenburg' (Lenkeit et al., 2023). The data relates to N = 927 students in grade 6 and 7.
In study 1, various facets of adolescents' social participation were investigated and relationships between the facets were examined in a mediation model. Compared to their peers, adolescents with SEN received significantly fewer peer nominations, had fewer friendships and felt less integrated into the class. In addition, the assumed mediation model was confirmed: The relationship between SEN and perceived social participation was mediated by peer nominations and reciprocal friendships.
In study 2, various facets of social participation and their associations were again analysed. The focus was on perceived class climate and bullying experiences. Adolescents with SEN social-emotional development (SED) rated the classroom climate significantly lower, but did not report bullying experiences more frequently than peers without SEN. There were significant associations between peer nominations, reciprocal, and cross-group friendships with perceived classroom climate and bullying experiences. Significant composition effects were also observed: In classes with a higher level of peer nominations, reciprocal, and cross-group friendships, adolescents rated the classroom climate more positively.
In the longitudinal study 3, the influence of social participation on personality development was investigated based on the dynamic personality-relationship-transaction model (Neyer & Asendorpf, 2018). An inventory specially developed for adolescence was used for this purpose, which records the level of personality functioning (Goth et al., 2018). Longitudinal analyses were used to confirm the influence of self-perceived social participation on the level of personality functioning of adolescents. Students who rated their social relationships in classroom more positively had a higher level of personality functioning. Adolescents with SEN SED showed a significantly lower level of functioning compared to their peers without SEN, with group differences decreasing over time. The presence of SEN, therefore, did not moderate or reinforce the influence of low social participation on the level of personality functioning.
The findings of this dissertation show that there are significant differences in social participation between adolescents with and without SEN. All three studies showed that students with SEN SED in particular exhibited low social participation and a lower level of personality functioning. Even if these findings are in line with national and international empirical findings, they highlight the need for significant action. Further efforts are needed that focus even more intensively than before on strengthening social interaction and recognising diversity
Veränderungen im sensomotorischen System nach einer Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes: Eine longitudinale Perspektive
No full textAnterior cruciate ligament (ACL) rupture is a common sports injury, often treated with surgical reconstruction to reduce instability. However, surgery and rehabilitation do not always lead to restored knee function, likely due to altered sensorimotor control. Current evidence is mostly limited to cross-sectional studies following return to activity and sports, leaving a gap in understanding sensorimotor changes during the rehabilitation process. This thesis aimed to analyse the sensorimotor control during the first year following ACL reconstruction.
Methods:
This thesis is constituted of four studies. Initially, a systematic literature review was conducted including articles on active joint position sense (JPS) test in the knee following ACL reconstruction. Following, a cross-sectional study was implemented to analyse the influences of sex and limb dominance on as well as reliability and consistency measures of the angular reproduction and neuromuscular activity of the quadriceps muscle during the active JPS test in 20 healthy individuals. Subsequently, a longitudinal observation of the cortical and neuromuscular activity throughout the first year following ACL reconstruction was initiated. In the first longitudinal study, the cortical and neuromuscular activity as well as the reproduced angle of the active JPS test were analysed in 20 participants following ACL reconstruction during three measurement time points in the initial six months post-surgery. These results were compared to those of 20 healthy matched controls. The second longitudinal study included 31 participants, who were measured at five measurement time points throughout the first year following ACL reconstruction. Additionally, 31 healthy matched controls participated at a single occasion. All participants completed the active JPS test, which included measurements of the reproduced angle, cortical activity and neuromuscular activity of the quadriceps muscles. Thereafter, they performed a stair walking task, and at the final measurement time point, they completed single-leg hops, with recordings of the jump distance and the neuromuscular activity of the quadriceps and hamstring muscles.
Results:
The systematic review of 10 studies found inconclusive results regarding active knee JPS following ACL reconstruction and revealed methodological inconsistencies. The cross-sectional study found no sex or limb dominance differences in angular reproduction or neuromuscular activity, with poor to moderate reliability and acceptable consistency. In the first longitudinal study, no group differences in angular reproduction or neuromuscular activity were observed. . The examination of the cortical activity demonstrated that, in the beta-2 frequency band, electrodes over the frontal brain region exhibited higher activation in the ACL group during task execution with the non-involved limb. Conversely, the second longitudinal study revealed superior angular reproduction at all measurement time points in individuals following ACL reconstruction in comparison to their healthy matched controls. Between-group alterations were evident in the neuromuscular activity of the vastus lateralis; however, no differences were found in the cortical activity during the execution of the JPS test. Moreover, during stair descent a reduction in neuromuscular activity of the quadriceps muscles was observed at all measurement time points. An increase in neuromuscular activation in the hamstring muscles were found in the later measurement time points in the participants with ACL reconstruction in comparison to healthy individuals. The single-leg hop distance differed between limbs of the ACL group, with some alterations in the neuromuscular activity evident in the intra-limb comparison of the ACL group. Furthermore, a reduction in neuromuscular activity was observed in all recorded muscles during hop landings with the involved limb in comparison to the healthy control group.
Conclusion:
The JPS test has been proposed as a potential movement paradigm for examining sensorimotor control, including in the early postoperative period. Nonetheless, the revealed psychometric properties and discussed clinical relevance do not necessarily indicate that the angular error is an adequate outcome variable. However, no alternative measurement with simultaneous recordings of the cortical activity have been developed. The persistent alterations in neuromuscular activity observed in participants following ACL reconstruction highlight the necessity for the development of revised rehabilitation strategies.Eine Ruptur des vorderen Kreuzbandes (VKB) ist eine häufige Sportverletzung, die oft durch eine chirurgische Rekonstruktion behandelt wird, um die Instabilität zu verringern. Allerdings führen Operation und Rehabilitation nicht immer zu einer Wiederherstellung der Kniefunktion, was wahrscheinlich auf eine veränderte sensomotorische Kontrolle zurückzuführen ist. Die derzeitigen Erkenntnisse beschränken sich größtenteils auf Querschnittsstudien nach der Rückkehr zum Sport. Es besteht eine Wissenslücke hinsichtlich der kortikalen und neuromuskulären Aktivität während der Rehabilitationsphase. Das Ziel dieser Arbeit bestand folglich darin, die sensomotorische Kontrolle während des ersten Jahres nach einer VKB-Rekonstruktion zu analysieren.
Methodik:
Diese Arbeit besteht aus vier Studien. Zunächst wurde eine systematische Literaturrecherche durchgeführt, die Artikel zum aktiven Winkelreproduktionstest (JPS) im Knie nach einer VKB-Rekonstruktion umfasste. Anschließend wurde eine Querschnittsstudie durchgeführt, um die Einflüsse von Geschlecht und Beindominanz sowie die Reliabilität und Konsistenz der Winkelreproduktion und der neuromuskulären Aktivität des Quadrizeps während des aktiven JPS-Tests bei 20 gesunden Personen zu analysieren. Anschließend wurde eine Längsschnittbeobachtung der kortikalen und neuromuskulären Aktivität während des ersten Jahres nach einer VKB-Rekonstruktion initiiert. In der ersten Längsschnittstudie wurden die kortikale und neuromuskuläre Aktivität sowie der reproduzierte Winkel des aktiven JPS-Tests bei 20 Teilnehmern nach einer VKB-Rekonstruktion an drei Messzeitpunkten in den ersten sechs Monaten nach der Operation analysiert. Diese Ergebnisse wurden mit denen von 20 gesunden Kontrollpersonen verglichen. Die zweite Längsschnittstudie umfasste 31 Teilnehmer, die an fünf Messzeitpunkten während des ersten Jahres nach der ACL-Rekonstruktion gemessen wurden. Zusätzlich nahmen 31 gesunde Kontrollpersonen an einer einzigen Messung teil. Alle Teilnehmer absolvierten den aktiven JPS-Test, der Messungen des reproduzierten Winkels, der kortikalen Aktivität und der neuromuskulären Aktivität der Quadrizepsmuskeln umfasste. Anschließend führten sie Treppensteigen durch und absolvierten zum letzten Messzeitpunkt Einbein-Sprünge, wobei die Sprungweite und die neuromuskuläre Aktivität der Oberschenkelmuskulatur aufgezeichnet wurden.
Ergebnisse:
Die systematische Überprüfung von 10 Studien ergab keine eindeutigen Ergebnisse hinsichtlich der aktiven Knie-JPS nach einer VKB-Rekonstruktion und zeigte methodische Unstimmigkeiten auf. Die Querschnittsstudie ergab keine geschlechts- oder beindominanz-spezifischen Unterschiede hinsichtlich der Winkelreproduktion oder der neuromuskulären Aktivität, mit geringer bis mäßiger Zuverlässigkeit und akzeptabler Konsistenz. In der ersten Längsschnittstudie wurden keine Gruppenunterschiede hinsichtlich der Winkelreproduktion oder der neuromuskulären Aktivität beobachtet. Die Untersuchung der kortikalen Aktivität zeigte, dass im Beta-2-Frequenzband die Elektroden über der frontalen Hirnregion während der Aufgabenausführung mit dem nicht betroffenen Bein eine höhere Aktivierung in der VKB-Gruppe aufwiesen. Die zweite Längsschnittstudie hingegen zeigte, dass die VKB-Gruppe im JPS-Test zu allen Messzeitpunkten eine bessere Winkelreproduktion und unterschiedliche neuromuskuläre Aktivitäten im vastus lateralis aufwiesen als die Kontrollgruppe. Demgegenüber wurden bei der kortikalen Aktivität keine Unterschiede festgestellt. Des Weiteren wurde während des Treppensteigens zu allen Messzeitpunkten eine Reduktion der neuromuskulären Aktivität der Quadrizepsmuskeln in der VKB-Gruppe beobachtet. Zudem zeigte sich zu den späteren Messzeitpunkten eine Zunahme der neuromuskulären Aktivierung den Hamstringmuskeln. Es konnten Unterschiede in der Sprungdistanz sowie in der neuromuskulären Aktivität zwischen den Beinen innerhalb der VKB-Gruppe nachgewiesen werden. Außerdem wurde eine Reduktion der neuromuskulären Aktivität in sämtlichen aufgezeichneten Muskeln während der Sprunglandung mit dem betroffenen Bein im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe beobachtet.
Schlussfolgerung:
Der JPS-Test wurde als potenzielles Bewegungsparadigma zur Untersuchung der sensomotorischen Kontrolle auch in der frühen postoperativen Phase, beschrieben. Allerdings lassen die psychometrischen Werte sowie die diskutierte klinische Relevanz keinen eindeutigen Schluss zu, dass die Winkelreproduktion eine geeignete Messgröße ist. Eine alternative Messung, die eine simultane Aufzeichnung der kortikalen Aktivität umfasst, wurde jedoch noch nicht entwickelt. Die anhaltenden Veränderungen der neuromuskulären Aktivität bei den Teilnehmern nach einer VKB-Rekonstruktion verdeutlichen die Notwendigkeit überarbeiteter Rehabilitations-strategien
Digitalisierung verstehen
No full textFür den Informatikunterricht stellt die Gesellschaft für Informatik das „Frankfurt-Dreieck“ als Weiterentwicklung des „Dagstuhl-Dreiecks“ zur Diskussion. Im Werk- und Technikunterricht erfolgt eine mehrperspektivische Analyse der Digitalisierung, die auf dem „Frankfurt-Dreieck“ basiert und um informationstechnische sowie gesellschaftliche Aspekte erweitert wurde. Diese Analyse wird mit empirisch erfassten Vorstellungen von Grundschülern und Lehramtsstudenten verglichen. Unter Berücksichtigung vorhandener nationaler wie internationaler Anforderungsnormen für Schüler- und Lehrerwissen ergibt sich mittels einer didaktischen Rekonstruktion über eine Auswahl digitaler Phänomene für Grundschüler wie auch für Lehramtsstudierende die didaktische Strukturierung der Digitalisierungsinhalte.For computer science lessons, the Gesellschaft für Informatik presents the “Frankfurt Dreieck” as a further development of the “Dagstuhl Dreieck” for discussion as a guideline for the concept of digitization. In the craft and technology lessons, a multi-perspective analysis of digitalization is carried out as an extension of the analysis according to the “Frankfurt Dreieck”, since information technology and social aspects must also be taken into account here. This analysis is compared with empirically recorded ideas from elementary school students and teacher training students. Taking into account existing national and international requirements standards for student and teacher knowledge, didactic reconstruction results in a selection of digital phenomena for the didactic structuring of digitalization for primary school students as well as for teacher training students
Methodische Reihe in Varianten am Beispiel der Buchstütze
No full textDie methodische Reihe greift die Idee der Technologie-Darstellung auf und erweitert sie, um im Bereich der Gestaltungs- oder Fertigungskompetenz die Planungskompetenz zu entwickeln. Es werden Varianten der Umsetzung gezeigt, die Lernende befähigen, ihre Planungskompetenz zu entwickeln, mit anderen Lernenden in den Diskurs zu gehen und ihren Standpunkt zu begründen. Mögliche Erweiterungen greifen die Werkzeugnutzung auf und ermöglichen eine Vielfalt von technischen Lösungen. Es werden Parallelen zu Fertigungsaufgabe und deren Erweiterung zum selbstständigen Lernen gezeigt. Am Beispiel eines mehrteiligen Werkstücks der Buchstütze werden weitere Methoden wie das technische Experiment bei der Planung des Werkstücks demonstriert.The methodological series builds on the concept of technology representation and expands it to develop planning competence in the area of design manufacturing skills. It presents various implementation options that enable learners to develop their planning competence, engage in discourse with other learners, and justify their point of view. Potential extensions incorporate usage and allow for variety of technical solutions. Parallels are drawn between manufacturing tasks and their extension to independent learning. Using the example of a multi-part bookend workpiece, additional methods such as technical experimentation in the planning of the workpiece are demonstrated
Piloting a competence network based on the Four Component Instructional Design model for data science teaching
No full textIn response to the growing demand for data scientists, universities are revising existing curricula and developing new data science programs. This educational redesign effort aims to equip graduates with the necessary skill-set to succeed in the rapidly evolving field. The reorganization of data science programs offers instructional designers the opportunity to shift the educational approach from an objectives-based pedagogy to using competence as the organizing principle. To accomplish this transition, educators need to create training situations where students can learn to apply data science knowledge within a realistic context. The Four-Component Instructional Design model can be used as a blueprint to design such a competence-centered curriculum. Hosting a data science program on an online learning platform allows university lecturers to collect data about the learning process. In this paper, we propose a competence framework based on the Learning Taxonomy by Anderson and Krathwohl, which can be combined with the Four Component Instructional Design model to track the acquisition of competence in an online data science program. The concept is being prototyped for a learning unit on k-means clustering, which will be evaluated using an iterative educational design research approach
Sprachtherapie meets Neurowissenschaften
No full textEs existieren diverse Schnittstellen zwischen den Disziplinen Sprachtherapie und Neurowissenschaft. Ein besonderer Fokus dieses Beitrags liegt auf translationaler Forschung, die klinisch relevante Erkenntnisse zu Neuroplastizität sowie sprach- und kognitionsrelevanten Netzwerkmodellen in die sprachtherapeutische Praxis zu übertragen versucht. Beispielsweise ermöglichen bildgebende Verfahren wie funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) eine präzise Diagnostik und Verlaufskontrolle. Zudem bieten innovative Ansätze wie die nicht-invasive Hirnstimulation neue Perspektiven für die Berücksichtigung von zellbasierten Neuroplastizitätsansätzen in der Sprachrehabilitation. Betrachtet wird außerdem die Rolle von Pharmakotherapie, insbesondere die Verwendung von Dextroamphetamin und Selektiven Serotonin-Wiederaufnahmehemmern (SSRIs), zur Unterstützung der Therapieeffizienz. Abschließend wird die Bedeutung von Interdisziplinarität in diesen Prozessen sowie die Bedeutung der psychischen Gesundheit Betroffener thematisiert. Die Verbindung von Fortschritten der Neurowissenschaft mit Sprachtherapie verspricht einen wichtigen Schritt zu einer personalisierten und effizienteren Behandlung
Frequenzanalyse von Ganymed's Gezeitenpotential
No full textThis bachelor thesis investigates the tidal potential of Jupiter's moon Ganymede. The potential is represented in the form of second-order spherical harmonics and the frequencies of the coefficients of these spherical harmonics are then analyzed. This forms the basis for future modeling of Ganymede's internal structure, which can be achieved by linking the results of this work with structural models and future measurements of Ganymede's response to tidal forces by the JUICE space probe.
Of particular interest are the high-frequency components in Ganymede's tidal potential, which are primarily caused by the interaction with the other Galilean moons Io, Europa, and Callisto, as the body's response could be significantly amplified by Ganymede's subsurface ocean, if current estimates of it's depth are correct. Even though the resulting tidal response is likely to be dominated by the excitation from Jupiter, it could nevertheless be possible to measure these smaller excitations under the right conditions during the final scientific phase of the JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) mission in orbit around Ganymede. Measuring higher-frequency excitations would provide direct evidence for the existence of an ocean beneath Ganymede's icy surface and also allow for a more accurate determination of the depth of this ocean when compared to currently used methods.
In addition to this practical application in the context of JUICE and the determination of Ganymede's internal structure, the contributions of the various objects in the Jupiter system are discussed, and their influence on different spherical harmonic coefficients of the tidal potential, each associated with a distinct spatial structure, is investigated. This allows for a better understanding of the interactions causing the tidal potential.
Not only the results, but also the methods used and developed in this work are relevant for further scientific research concerning calculating, analyzing, and representing the tidal potential, as they can also be applied to other objects than Ganymede.
When comparing the method based on orbital parameters and Keplerian orbits with the numerical calculation of the tidal potential based on ephemeris data, it was found, as expected, that the second method reveals many additional frequencies of Ganymede's tidal potential that are not present in the Kepler method, due to the simplifications made. Furthermore, since the interaction with the other Galilean moons can only be accurately incorporated using the ephemeris method, the Kepler method is less suitable for a detailed frequency analysis of the tidal potential than the slower but more precise ephemeris-based method, despite its lower computational effort.
Through a Fourier analysis and subsequent iterative fitting of the most dominant frequency peaks for the separate contributions of Jupiter and the other Galilean moons, as well as the combined total potential, many of the strongest periodic components of Ganymede's tidal potential were classified and their physical cause examined. In addition to the expected strong peak of the diurnal tide, further frequency peaks could be detected in the isolated potential exerted only by Jupiter. These occurred mainly at higher frequencies and can be explained by perturbations of Ganymede's orbit due to interactions with the other Galilean moons, which indirectly modulate the tidal potential exerted by Jupiter. In addition to these indirect contributions, Io, Europa, and Callisto also have a strong direct influence on the frequency spectrum of Ganymede's tidal potential, adding a large number of strong peaks, especially in the higher frequency range. Even though the amplitude of these peaks is still at least one to two orders of magnitude smaller than that of the diurnal tide, the large number of periodic components found with comparatively high amplitude gives hope for a resonant amplification of one of these components.
Even though, as expected, Europa has the strongest contribution to the total potential in a comparison of the three Galilean moons, Callisto's significant contribution is a surprising result of this work. Despite its great distance from Ganymede, the outermost of the Galilean moons contributes even more strongly than Io and even Europa to certain spatial structures of the tidal potential, more precisely the coefficients c20, c22, and s22 of the spherical harmonics representation. This highlights the strong dependence of the tidal potential on the relative orientations of the different moons orbits.
When comparing the various coefficients of the spherical surface functions, it can be observed that the average amplitudes of the highest peaks vary significantly. In particular, the coefficients c21 and s21, which describe effects that are asymmetrical to the axis of rotation, show significantly lower amplitudes than c20, c22, and s22.Diese Bachelorarbeit untersucht das Gezeitenpotential des Jupitermonds Ganymed. Dabei wird das Potential in Form von Kugelflächenfunktionen zweiter Ordnung dargestellt und vor allem die Frequenzen der Koeffizienten dieser Kugelflächenfunktionen analysiert. Dies bildet die Grundlage für zukünftige Modellierungen von Ganymedes innnerem Aufbau, die durch eine Verknüpfung der Ergebnisse dieser Arbeit mit Strukturmodellen sowie zukünftigen Messungen von Ganymedes Antwort auf Gezeitenanregungen durch die Raumsonde JUICE möglich wären.
Dabei sind vor allem die höheren Anregungsfrequenzen in Ganymedes Gezeitenpotential, welche vorrangig durch die Interaktion mit anderen Galileischen Monden Io, Europa und Callisto entstehen, von Interesse, da diese bei den derzeitigen Schätzungen der möglichen Tiefe von Ganymedes potentiellem Ozean bedeutend verstärkt werden könnten. Auch wenn die dadurch entstehenden Gezeitenanregungen wahrscheinlich immer noch von der Anregung durch Jupiter dominiert werden, besteht trotzdem die Möglichkeit, diese Anregungen unter den richtigen Bedingungen während der finalen wissenschaftlichen Phase der JUICE Mission in einem Orbit um Ganymed zu messen. Das Messen von Anregungen mit höherer Frequenz würde einen direkten Beweis für die Existenz eines Ozeans unter Ganymedes eisiger Oberfläche liefern und zusätzlich eine genauere Einschränkung der Tiefe dieses Ozeans ermöglichen.
Zusätzlich zu dieser praktischen Anwendung der Ergebnisse dieser Arbeit im Rahmen der Messungen der JUICE Mission und der Bestimmung von Ganymedes innerer Struktur, werden die Beiträge der verschiedenen Objekte im Jupiter-System diskutiert und deren Einfluss auf unterschiedliche räumliche Strukturen des Gezeitenpotentials in Form der verschiedenen Kugelflächenfunktionen untersucht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen, die das Gezeitenpotenzial verursachen. Dabei sind nicht nur die Ergebnisse dieser Arbeit relevant für die weitere wissenschaftliche Forschung, sondern auch die genutzten, sowie teilweise weiterentwickelten und kombinierten Methoden zur Berechnung, Analyse und Darstellung des Gezeitenpotentials, die sich auch auf andere Objekte als Ganymed anwenden lassen.
Im Vergleich der Methode, basierend auf Orbitalparametern und Keplerbahnen, und der numerischen Berechnung des Gezeitenpotentials aus den Ephemeriden ergab sich wie erwartet, dass die zweite Methode viele zusätzliche Frequenzen von Ganymedes Gezeitenpotential offenbart, die aufgrund der Vereinfachungen mit der Keplermethode nicht sichtbar sind. Da sich außerdem die Interaktion mit den anderen galileischen Monden nur mit Hilfe der Ephemeriden Methode integrieren lässt ist die Kepler Methode trotz ihres geringeren Rechenaufwands für eine detaillierte Frequenzanalyse des Gezeitenpotentials weniger gut geeignet als die langsamere, aber präzisere, ephemeriden-basierte Methode.
Durch eine Fourieranalyse und anschließendes iteratives Fitten der dominantesten Frequenzpeaks für die separaten Beiträge von Jupiter und den anderen galileischen Monden, sowie dem kombinierten Gesamtpotential, konnten viele der stärksten periodischen Komponenten von Ganymedes Gezeitenpotential klassifiziert und ihre physikalische Ursache eingeordnet werden. Neben dem erwarteten starken Peak der diurnalen Gezeiteninteraktion ließen sich dabei bereits im isolierten Potential, das nur von Jupiter ausgelöst wird, weitere Frequenzpeaks erkennen. Diese traten vor allem bei höheren Frequenzen auf und lassen sich vermutlich auf Störungen von Ganymedes Orbit durch Interaktionen mit den anderen galileischen Monden erklären, die so indirekt das von Jupiter ausgelöste Gezeitenpotential modulieren. Zusätzlich zu diesem indirekten Beitrag haben Io, Europa und Callisto auch einen starken direkten Einfluss auf das Frequenzspektrum von Ganymedes Gezeitenpotential und fügen diesem vor allem im Bereich höherer Frequenzen eine Vielzahl von starken Peaks hinzu. Auch wenn die Amplitude dieser Peaks immer noch um mindestens eine bis zwei Größenordnungen kleiner ist als die der diurnalen Gezeiteninteraktion lässt sich aufgrund der Vielzahl an gefundenen periodischen Komponenten mit vergleichsweise hoher Amplitude auf eine resonante Verstärkung einer dieser Komponenten hoffen.
Auch wenn Europa wie zu erwarten von den drei galileischen Monden den stärksten Beitrag zum Gesamtpotential liefert, ist vor allem der nicht zu vernachlässigende Beitrag von Callisto ein überraschendes Ergebnis dieser Arbeit. Wie sich zeigt, trägt der äußerste der galileischen Monde trotz seines großen Abstands zu Ganymede für bestimmte räumliche Strukturen des Gezeitenpotentials, genauer die Koeffizienten c20, c22 und s22 der Kugelflächenfunktionen, stärker bei als Io und sogar Europa. Dies hebt die starke räumliche Abhängigkeit des Gezeitenpotentials von den relativen Orientierungen der Mondorbits hervor.
Auffällig ist im Vergleich der verschiedenen Koeffizienten der Kugelflächenfunktionen allgemein, dass die durchschnittlichen Amplituden der höchsten Peaks deutlich variieren. Dabei zeigen vor allem die Koeffizienten c21 und s21, die Effekte beschreiben, die asymetrisch zur Rotationsachse liegen, deutlich geringere Amplituden als c20, c22 und s22
Verbesserung der Frühwarnung vor Murgängen durch maschinelles Lernen
No full textDebris flows are a widespread, gravity-driven hazard in mountain landscapes and often cause significant damage to residents and property along the main flow path. Seismic instruments, which can be installed outside hazardous zones, have emerged as a promising tool for monitoring debris flows by capturing the seismic waves they generate. The difference in velocity between debris flows and the seismic waves enables the potential for real-time warning systems. However, translating seismic observations into robust, automated estimates of debris flow onset probability remains challenging. Machine learning techniques have enhanced the accuracy of event identification and are particularly effective in catchments with dense historical datasets. For example, decision tree-based models such as Random Forest have shown potential for designing debris flow warning systems using seismic data.
However, due to the variability in catchment geophysical settings and sediment properties, a profound understanding of the effective seismic features and the limitations of different machine learning models for debris flow warning remains lacking. Key unresolved questions include, but are not limited to: (1) whether calibration-free seismic features of debris flows exist that facilitate detection; (2) whether incorporating temporal pattern of debris flow footprints can enhance warning capabilities based on (1) and other existing seismic features; and (3) how pre-trained models from (2) generalize to debris flows exhibiting different levels of similarity and diversity in their seismic records. Collectively, these three research questions culminate in this dissertation, which presents a machine learning-driven framework for debris flow early warning using seismic data, developed through four interrelated studies.
For the first question, I apply Benford's law, which states that the first non-zero digit of given datasets follows a specific probability distribution: . This law, which is independent of geophysical settings and sensor instrumentation, provides a computationally cheap approach to identify anomalies in large datasets. Here, I selected vertical component seismograms to derive the first digit distribution. Seismic signals generated by debris flows follow Benford's law, while those generated by ambient noise do not. I propose both physical and mathematical explanations for the occurrence of Benford's law in debris flows, highlighting why this approach does not require calibration. My finding of limited seismic data from landslides, lahars, bedload transports, and glacial lake outburst floods indicates that these events may follow Benford's law, whereas rockfalls do not. Focusing on debris flows in the Illgraben, the Benford's Law-based detector (F1=0.64 for subwindow classification and F1=1.00 for whole-segment classification), which requires only twelve features and single-station data, is comparable in performance to an existing Random Forest model (F1=0.83 and 0.94 for subwindow classification before or after one check dam) trained on seventy features and six seismic stations. Furthermore, through cross-validation using various field-independent observational datasets, including acoustic recordings, video footage, and water level measurements, I demonstrated the potential of Benford's law to classify multiple events during the bedload transport process. The results reveal differences in the first-digit distributions in the time domain for bedload motion, turbulence with bedload motion, turbulence alone, and air. I suggest that Benford’s law is a computationally cheap, novel technique that offers an alternative for event detection, classification, and potentially for real-time warnings.
For the second question, I investigate eighty seismic features, based on findings from the first question and other existing seismic features, and evaluate three machine learning models to assess whether the temporal pattern of debris flow footprints can enhance warning capabilities. These seismic features, derived from physical and statistical knowledge of impact sources, are grouped into five sets: Benford's law, waveform, spectra, spectrogram, and network. The machine learning models belong to two families: two ensemble models, Random Forest and eXtreme Gradient Boosting (XGBoost); one recurrent neural network model, Long Short-Term Memory (LSTM). Model performance is assessed across two tasks: single-station-based binary debris flow classification and multi-station-based debris flow warning. I analyzed the feature importance from the ensemble models and found that the number and even the types of seismic features are not critical for training an effective binary classifier for debris flow. When using models designed to capture patterns in sequential data rather than focusing on information only in one given window, using the LSTM does not significantly improve the performance of the single-station-based binary debris flow classification task over Random Forest and XGBoost. For the multi-station-based debris flow warning task, the LSTM model predicts debris flow probability more consistently and provides longer warning times. My proposed framework adopts a decoupled warning approach, enabling trained machine learning models to be applied in catchments without dense seismic networks. It also allows stakeholders to incorporate their own warning strategies into the workflow, simplifies machine learning-driven debris flow classification and lays the foundation for cost-effective, seismic signal-based early warning using sparse sensor networks.
For the third question, I first compiled a global debris flow seismic catalog with 119 events from 25 catchments, quantified the similarity and diversity of these events, and then investigated the response of pre-trained LSTM model from the second question to previously unseen catchments. Based on this catalog, I measured debris flow similarity in the frequency domain by fitting the slope of the power spectral density and in the time domain using dynamic time warping and hierarchical clustering techniques. I further evaluated a pre-trained LSTM classifier, originally developed for the second question and trained on 22 debris flows from the Illgraben catchment, to assess its ability to distinguish diverse debris flows on a global scale. My results show that debris flows exhibit distinct spectral patterns but share more temporal similarities. The classifier demonstrates strong global generalization, successfully detecting 40 of 55 non-Illgraben debris flows. And classification accuracy improved as seismic data uncertainty decreased. Furthermore, the model successfully detected the 2016 Bhotekoshi glacial lake outburst floods, suggesting that large volumes of debris flow seismic records can help reveal similarities with rarer but more catastrophic channelized events. My work presents a well-documented, open-access global debris flow seismic dataset with event labels and uncertainty levels. It serves as a valuable resource for developing and validating physical and data-driven models, aiming to improve our understanding of debris flow dynamics and enhance early warning systems.
Overall, this dissertation answers the three research questions by (1) introducing calibration-free seismic features to facilitate detection; (2) highlighting the crucial role of incorporating temporal patterns through LSTM model to enhance warning capabilities, rather than increasing the number of seismic features; and (3) providing a global debris flow seismic catalog with quantified levels of similarity, broadening the generalization potential for the pre-trained LSTM model from site-specific applications to global applicability. It demonstrates the feasibility of designing next-generation warning systems for debris flows and other channelized flow events based on the seismic features, machine learning model structures, and global debris flow seismic records developed herein.Murgänge sind gravitationsgetriebene Naturgefahren in Gebirgsregionen, die erhebliche Schäden verursachen können. Seismische Sensoren, die außerhalb von Gefahrzonen installiert werden können, sind ein vielversprechendes Werkzeug zur Überwachung solcher Ereignisse. Die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Murgang und seismischen Wellen ermöglicht prinzipiell eine Frühwarnung. Die automatische, robuste Erkennung des Murgangbeginns aus seismischen Daten bleibt jedoch eine Herausforderung. Maschinelles Lernen, insbesondere Verfahren wie Random Forest, hat die Ereignisidentifikation verbessert – insbesondere in Einzugsgebieten mit umfangreichen historischen Daten.
Diese Dissertation untersucht drei zentrale Fragestellungen: (1) Gibt es kalibrierungsfreie, seismische Merkmale, die eine Detektion ermöglichen? (2) Verbessert die Einbeziehung zeitlicher Muster die Frühwarnung? (3) Lassen sich trainierte Modelle auf andere, unterschiedlich geartete Murgänge übertragen?
Zu (1): Benford’s Gesetz, das die Häufigkeit der ersten Ziffer in Datensätzen beschreibt, wurde auf vertikale Seismogrammkomponente angewendet. Murgangsignale folgen diesem Gesetz, das natürliche Hintergrundrauschen nicht. Ohne Kalibrierung erkennt dieser Ansatz Murgänge zuverlässig und liefert vergleichbare Ergebnisse zu komplexeren Random-Forest-Modellen. Erste Tests mit anderen Ereignistypen zeigen: Lahare, Rutschungen und Bettload-Transporte folgen ebenfalls dem Gesetz – Felsstürze hingegen nicht.
Zu (2): Aufbauend auf (1) wurden 80 seismische Merkmale aus fünf Gruppen (u.a. Spektren) analysiert. Drei Modelle kamen zum Einsatz: Random Forest, XGBoost und LSTM-Netze. Ergebnis: Für binäre Klassifikationen reicht eine reduzierte Merkmalsauswahl; LSTM-Netze zeigen keinen signifikanten Vorteil im Einzelstationsbetrieb. In Multi-Station-Warnsystemen hingegen verbessert LSTM die Vorhersagequalität und verlängert die Vorwarnzeit. Die Herangehensweise entkoppelt den Warnprozess und erlaubt flexible, kostengünstige Warnsysteme auch in unzureichend instrumentierten Einzugsgebieten.
Zu (3): Eine globale Murgang-Datenbank mit 119 Ereignissen aus 25 Einzugsgebieten wurde erstellt, sowie die Ähnlichkeit von Ereignissen spektral und zeitlich ausgewertet. Ein LSTM-Modell, trainiert mit Daten aus dem Illgraben (CH), erkannte erfolgreich 40 von 55 Murgängen aus der Datenbank – darunter auch den deutlich größeren Gletscherseeausbruch von Bhotekoshi 2016. Das Modell zeigt dadurch eine extrem hohe Generalisierbarkeit, vor allem bei geringer Unsicherheit der Daten. Die Open-Access Datenbank stellt zudem eine wichtige Ressource für künftige Modellierungsansätze und mögliche Frühwarnungen dar.
Fazit: Die Arbeit liefert (1) kalibrierungsfreie, seismische Features zur Eventdetektion, (2) hebt die Bedeutung zeitlicher Muster in Datenreihen zur Frühwarnung hervor und (3) demonstriert die globale Anwendung entwickelter Modelle auf Basis einer umfassenden Datenbank. Damit ebnet sie den Weg für kosteneffiziente, auf seismischen Daten und maschinellem Lernen basierende Frühwarnsysteme für Murgänge und ähnliche Gefahren