Les matériaux artificiellement structurés que sont les cristaux photoniques sont couramment utilisés pour leurs propriétés dispersives. Leur constante diélectrique varie périodiquement à l'échelle de la longueur d'onde selon deux ou trois directions avec un contraste d'indice suffisamment élevé. La relation de dispersion ω = ω(k) qui résulte de cette variation périodique a la forme d'une structure de bande à l'intérieur de laquelle il existe des bandes interdites photoniques où la propagation du champ électromagnétique est interdite. En dehors de ces bandes, i.e. dans les bandes photoniques, se trouvent les propriétés de dispersion des cristaux photoniques.Le but de ce travail de thèse est de concevoir, de fabriquer et de caractériser des dispositifs à cristal photonique à gradient. Ces dispositifs ont été conçus de façon à s'appliquer dans les domaines allant des micro-ondes à l'optique. Nous avons conçu des dispositifs à partir de cristaux photoniques dont les propriétés dispersives les rendent analogues à des milieux linéaires, homogènes et isotropes (LHI). À la maille élémentaire de ces cristaux photoniques LHI, nous avons appliqué un gradient pour réaliser des lentilles à gradient 1D. Des résultats importants concernant la conception, la fabrication et la caractérisation expérimentale d'une lentille plate à gradient d'indice fonctionnant dans la bande X des micro-ondes sont reportés. Celle lentille focalise une onde plane incidente et collimate l'onde émise par une source ponctuelle situés dans son plan focal. Si cette lentille constitue en soi un démonstrateur et valide la démarche mise en œuvre pour la concevoir, ses applications potentielles concernent particulièrement les antennes. Nous réalisons également plusieurs lentilles à gradient 2D dont des lentilles de Lüneburg et Half Maxwell Fisheye; leurs applications aux antennes sont importantes. Nous nous intéressons aussi à la réalisation de lentilles optiques à gradient d'indice dites « SELFOC® ». Dans le but de confirmer les propriétés dispersives remarquables qui ont été mises en évidence, nous avons poursuivi dans ce sens en revisitant une expérience classique qui met en évidence l'existence des ondes évanescentes : celle du « double prisme à angle droit ». Nous mettons également en évidence le phénomène de « réflexion totale frustrée » ainsi que le décalage, découvert par Goos et Hänchen, que subit l'onde réfléchie sur le dioptre. Ce sont ces deux points — réflexion totale frustrée et effet Goos-Hänchen — que nous vérifions dans le cas de cristaux photoniques LHI. / Artificially structured materials that are photonic crystals are commonly used for their dispersive properties. Their dielectric constant varies periodically across the wavelength in two or three directions with a sufficiently high index contrast. The resulting dispersion relation ω = ω(k) of the periodic variation has the form of a band structure within which there are photonic bandgaps in which the propagation of the electromagnetic field is prohibited. Outside of these bands, i.e. in the photonic band, there are the dispersion properties of the photonic crystals.The aim of this thesis is to design, fabricate and characterize graded photonic crystal devices. These devices were designed to be applied in areas ranging from microwaves to optics. We designed devices from photonic crystals with dispersive properties which make them similar to linear, homogeneous and isotropic media (LHI). In the unit cell of the LHI photonic crystal, we applied a gradient to achieve 1D graded lenses. Important results regarding the design, manufacturing and experimental characterization of a flat lens GRIN operating in X-band microwaves are deferred. This lens focuses an incident plane wave and collimates the wave emitted by a point source located in its focal plane. If this lens is itself a demonstrator and validates the approach implemented for the design, its potential applications particularly concern antennas. We also carry several 2D graded lenses including Lüneburg and Half Maxwell Fisheye lenses; their applications to the antennas are important. We are also interested in making optical graded index lenses called "SELFOC®".In order to confirm the remarkable dispersive properties that have been identified, we continued in that direction by revisiting a classic experiment that highlights the existence of evanescent waves: the "double right angle prism". We also highlight the phenomenon of "frustrated total internal reflection" and the shift discovered by Goos and Hänchen suffered by the reflected wave on the interface. It's these two points – frustrated total internal reflection and Goos-Hänchen effect - that we check in the case of LHI photonic crystals.

Les plantes et les insectes forment l’un des principaux niveaux trophiques des écosystèmes au cours des 325 derniers millions d’années. Aujourd’hui, l’augmentation rapide et continuelle de la température principalement causée par l’activité humaine depuis les derniers siècles, perturbe la balance des écosystèmes sur Terre. En conséquence, comprendre le rôle des interactions entre les plantes et les insectes, à travers le temps mais aussi les réseaux trophiques, est essentiel. Le registre fossile est une opportunité exceptionnelle d’examiner les réponses aux interactions plante-insecte lors de longues variations climatiques et à travers des traces de réaction de la plante sachant que la Terre a déjà été soumise à de nombreux changements climatiques. Durant les derniers 3 millions d’années, des oscillations entre de longues périodes froides et de courtes périodes chaudes ont eu lieu. Les écosystèmes Européens ont particulièrement été impactés par ces oscillations. Le Langerstätte de Willershausen (Allemagne) a été particulièrement étudié. C’est un gisement contenant plus de 8000 feuilles fossiles. Ces feuilles relatent d’une paléoforêt ayant existé il y a 3- 2,6 Ma dans un climat plus chaud qu’aujourd’hui (ca.+5°C). Dans ces conditions climatiques, de nombreuses espèces d’écosystèmes Méditerranéens étaient présentes, telles que l’Érable de Montpellier ou l’Olivier. En comparaison, d’autres paléoforêts ont été prise en compte : Berga (du même âge et proche de Willershausen) et Bernasso (plus jeune que Willershausen (2,16 — 1,96 Ma) localisée dans le sud de la France près de la Méditerranée. Ces forêts sont comparables notamment du fait des nombreux taxons communs qu’elles partagent. En outre, certaines de ces espèces sont aujourd’hui endémiques de la région du Caucase, telles que le Parrotie de Perse ou encore l’orme du Caucase. Le but de cette étude a été de déterminer en quoi les différences climatiques peuvent être impliquées dans les changements des interactions plante-insecte au sein des paléoforêts Européennes de la fin du Pliocène - début du Pléistocène. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence les impacts de la saisonnalité des températures et précipitations facteurs impactants les interactions plante-insecte des paléoforêts Européennes. Il est apparu que les écosystèmes sujets à d’intenses saisonnalités hydriques ont pu engendrer une plus grande spécialisation des interactions plante-insecte déduite d’un fort taux d’interactions spécialistes observées. En parallèle, les températures les plus froides durant l’année semble être un facteur important dans la faible diversité de dégâts, probablement dû à un faible métabolisme de la majorité des insectes. L’absence de corrélation convergente entre la richesse des plantes et la richesse des interactions pourrait suggérer que l’influence des facteurs climatiques surpasse l’impact potentiel des interactions biotiques locales. Pour l’ensemble de ces paramètres qui ont pu avoir un impact sur les interactions plante-insecte, nos connaissances actuelles sont encore insuffisantes. Il serait intéressant de focaliser davantage d’études sur les forêts modernes avec les méthodes appliquées dans le fossile. C’est dans cette intention qu’une partie de cette étude a étudié une espèce de plante (Parrotia persica) actuellement endémique de la forêt Hyrcanienne (Iran). Cette forêt est supposée être une forêt analogue des paléoforêts Européennes étudiées dans cette thèse. Pour le moment, les observations qui ont été faites en Iran semblent corroborer notre interprétation. Au final, les études sur les interactions plante-insecte des forêts anciennes et actuelles, combinés avec les études de changements climatiques, pourraient nous permettre de mieux caractériser les relations entre les insectes et les plantes au sein d’une forêt. / Insects are the most diverse animals on Earth, and neatly associated with plants they represent two of the major groups of organisms both in species diversity and biomass quantity. The majority of their interactions involves insect feeding and insect parasitism mostly on leaves. Plant and insect compose one of the main trophic levels in ecosystems over the 325 million years. Today, the continuous and fast rising of temperature mostly due to human activities since the last century is disturbing the balance of ecosystems on Earth. Consequently, to understand the role of plant and insect interactions, through time but also trophic networks, becomes crucial. The fossil record is an exceptional opportunity to survey responses of plant-insect interaction to climate variations over long time interval through traces of plants reactions caused by interaction with insects, as Earth has already experienced many climate changes. For the last 3 million years, oscillations between long cold periods and short warm periods have occurred. Europe ecosystems has been particularly impacted. The Lagerstätte of Willershausen (Germany) was specifically study. It is an exceptional fossil outcrop that contains ca. 8000 collected fossil leaves. These leaves testify a paleoforest developed there around 3—2.6 Ma ago in a climate warmer than today (ca. +5°C). Under these conditions, many plant species typical of the Mediterranean ecosystems were settled there, such as Montpellier maple or Olive tree. For comparison, other paleoforests were studied: Berga (similar in age and geographically close to Willershausen) and Bernasso (younger than Willershausen (2.16—1.96 Ma) and located in southern France close to Mediterranean. These forests were compared as many common plant taxa were similar between each other. Furthermore, some species today endemic to the Caucasian region, such as Persian ironwood or Caucasian elm, were also present in these outcrops. The aim of this study is to determine how far the climate differences could be involved in the changes of plant-insect interactions in European paleoforests of the late Pliocene – early Pleistocene. Results highlighted the impacts of both hydric and temperature seasonality, hitherto underestimated in the fossil record, on the patterns of plant-insect interaction in the European paleoforests. It appeared that ecosystems subject to intense hydric seasonality could led to higher specialization of plant-insect interaction inferred by higher rate of observed damages due to ‘specialists insects’. In parallel, the coolest temperature during the year seems to be a major factor in the low diversity of damage in paleoforest, presumably due to lower insect metabolism. Absence of convergent correlations between plant richness and damage richness could suggested that influence of climatic factors override impact of these local biotic factors. In order to understand the whole parameters that could have an impact on plant-insect interactions, our current knowledges are still insufficient. It would be wise to make more investigations on modern forests with the methods as applied in fossil record community structure studies. These investigations could help to understand the factors potentially involved in the establishment of a pattern of plant-insect interactions. It is in this perspective that a part of this study was precisely focused on one plant species (Parrotia persica) currently endemic to the Hyrcanian forest (Iran). This forest is supposed to be an analogue forest of the European paleoforests as those studied in this thesis. For now, observations made in Iran tend to corroborate our interpretation. Finally, the studies on plant-insect interactions in past and extant ecosystems, combined with the study of climatic changes, should permit us to better characterize the relations between plants and insects in forests through time.

Cette thèse s'inscrit dans la perspective des traitements de radiothérapie en insistant sur la nécessité de disposer d’un logiciel de planification de traitement (TPS) rapide et fiable. Le TPS est composé d'un algorithme de calcul de dose et d’une méthode d’optimisation. L'objectif est de planifier le traitement afin de délivrer la dose à la tumeur tout en sauvegardant les tissus sains et sensibles environnant. La planification des traitements consiste à déterminer les paramètres d’irradiation les mieux adaptés au patient. Dans le cadre de cette thèse, les paramètres d'un traitement par RCMI (Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d'Intensité) sont la position de la source, les orientations des faisceaux et, pour chaque faisceau composé de faisceaux élémentaires, la fluence de ces derniers. La fonction objectif est multicritère en associant des contraintes linéaires. L’objectif de la thèse est de démontrer la faisabilité d'une méthode d'optimisation du plan de traitement fondée sur la technique de calcul de dose rapide développée par (Blanpain, 2009). Cette technique s’appuie sur un fantôme segmenté en mailles homogènes. Le calcul de dose s’effectue en deux étapes. La première étape concerne les mailles : les projections et pondérations y sont paramétrées en fonction de critères physiques et géométriques. La seconde étape concerne les voxels: la dose y est calculée en évaluant les fonctions préalablement associées à leur maille.Une reformulation de cette technique permet d’aborder le problème d’optimisation par la méthode de descente de gradient. L’optimisation en continu des paramètres du traitement devient envisageable. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent de nombreuses perspectives dans le domaine de l’optimisation des plans de traitement en radiothérapie. / This thesis deals with the radiotherapy treatments planning issue which need a fast and reliable treatment planning system (TPS). The TPS is composed of a dose calculation algorithm and an optimization method. The objective is to design a plan to deliver the dose to the tumor while preserving the surrounding healthy and sensitive tissues.The treatment planning aims to determine the best suited radiation parameters for each patient’s treatment. In this thesis, the parameters of treatment with IMRT (Intensity modulated radiation therapy) are the beam angle and the beam intensity. The objective function is multicritiria with linear constraints.The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of a treatment planning optimization method based on a fast dose-calculation technique developed by (Blanpain, 2009). This technique proposes to compute the dose by segmenting the patient’s phantom into homogeneous meshes. The dose computation is divided into two steps. The first step impacts the meshes: projections and weights are set according to physical and geometrical criteria. The second step impacts the voxels: the dose is computed by evaluating the functions previously associated to their mesh.A reformulation of this technique makes possible to solve the optimization problem by the gradient descent algorithm. The main advantage of this method is that the beam angle parameters could be optimized continuously in 3 dimensions. The obtained results in this thesis offer many opportunities in the field of radiotherapy treatment planning optimization.

La convection thermique dans les objets naturels de grande taille est associée à de fortes variations de la pression, hydrostatique au premier ordre. C’est le cas pour l’atmosphère de la Terre (et d’autres planètes), les planètes gazeuses géantes, les étoiles, mais aussi l’intérieur des planètes telluriques. De part l’importance des effets de compressibilité, l’approximation de Boussinesq n’y est pas vérifiée et d’autres modèles, comportant également des approximations, sont utilisés : les modèles anélastiques. Toutefois, peu d’expériences ont été réalisées pour les vérifier. Cette thèse présente une expérience dont les paramètres ont été optimisés afin d’obtenir des effets de compressibilité importants en laboratoire. Pour ce faire, une gravité apparente forte est obtenue à l’aide d’une centrifugeuse et du xénon gazeux est utilisé, nous permettant d’atteindre un nombre de dissipation significatif. Ces expériences ont permis l’observation en laboratoire d’un gradient adiabatique de 3 K/cm et d’un exposant de 0,3 pour la loi de puissance caractérisant le transfert thermique turbulent entre le nombre de Nusselt et le nombre de Rayleigh superadiabatique.L’étude des fluctuations de pression et de température montrant que l’écoulement est quasi-geostrophique dû à la forte rotation imposée par la centrifugeuse, un modèle anélastique quasi-géostrophique est développé afin de réaliser des simulations numériques bidimensionnelles relatives à l’expérience. / In large natural objects, thermal convection is associated with large pressure differences, mainly due to hydrostatic balance. This is true in the atmosphere of the Earth (and other planets), in gas giant planets, in stars, but also in the interior of telluric planets. Boussinesq approximation is not valid owing to large compressibility effects, and other approximate models can be used to model these objects, like the anelastic approximation. However, very few experiments have been performed to assess these models. In the present PhD thesis, an experiment is shown, with parameters designed to maximize compressibility effects in a laboratory. In this perspective, an enhanced apparent gravity is obtained using a centrifuge, and Xenon gas is used, allowing us to reach a significant dissipation parameter. In our experiments, we have observed an adiabatic gradient of 3~K/cm and the power law between the superadiabatic Rayleigh number and the Nusselt number measuring the turbulent heat transfer is characterized by an exponent 0.3.Measurements of temperature and pressure fluctuations show that the flow is quasi-geostrophic as a result of the strong rotation rate of the centrifuge. An anelastic, quasi-geostrophic model has then been developed and solved numerically in the same configuration as the experiments.

L’utilisation systématique d’une théorie dite de Cauchy conduit souvent à des simplifications trop fortes de la réalité. En effet, certaines caractéristiques de la microstructure sont implicitement négligées dans ces approches. Des matériaux possèdent des microstructures à une échelle assez grande (micron, millimètre, centimètre), dont l’effet se répercute sur le comportement macroscopique. Le modèle de Cauchy est insuffisant pour décrire leur comportement global spécifique, lié par exemple à la concentration d’efforts ou de déformations, ou à des modes de déformations caractérisés par de forts gradients locaux induisant des comportements liés à ce qui se passe à des échelles plus petites. Un des domaines d’application les plus prometteurs des théories de milieux continus enrichis concerne les renforts tissés de composites. Cette classe de matériaux est constituée par le tissage de mèche, dont les rigidités sont très différentes en traction et en cisaillement : les mèches sont très raides en traction mais l’angle entre deux mèches peut varier très facilement. Ce contraste très marqué des propriétés mécaniques de la mesostructure du matériau permet de décrire ses propriétés homogénéisées dans le cadre d’une théorie de deuxième gradient. La manifestation macroscopique de la mesostructure peut en effet jouer un rôle majeur lors de la mise en forme des renforts de composites. Les modèles de Cauchy ne sont pas adaptés à la description de la réponse dynamique de certains matériaux microstructurés montrant des comportements dispersifs ou des band-gaps. Les théories de milieux continus enrichis sont de bonnes candidates pour modéliser les effets de la présence d’une microstructure. Elles peuvent également posséder des propriétés très particulières vis à vis de la propagation d’ondes, ce qui confère aux structures résultantes des solutions de choix comme écran ou absorbeur d’ondes qui peuvent innovantes dans le domaine du contrôle des vibrations ou dans le domaine de la furtivité. / The systematic use of a so-called Cauchy theory sometimes leads to an oversimplification of reality. Indeed, certain characteristics of the microstructure are implicitly neglected in these approaches. However, even if all the materials are heterogeneous on a sufficiently small scale and therefore possess a microstructure, this does not necessarily induce a specific behavior on a macroscopic scale. In this case, the Cauchy theory would be perfectly adapted to their description. On the other hand, other materials possess microstructures on a large-enough scale (micron, millimeter, centimeter), whose effects have repercussions on macroscopic behavior. The Cauchy model is then insufficient to describe their specific global behavior related to what occurs at smaller scales, e.g. concentration of forces or deformations, or strong local gradients. One of the most promising fields of application of enriched continuous theories concerns the study of the mechanical behavior of woven composite reinforcements. This class of materials, made up by weaving yarns (made up themselves of many thinner fibers), possess very different rigidities in tension and in shear: the yarns are very stiff in tension but the angle between two yarns can vary very easily. This very marked contrast of material mechanical properties makes it necessary to describe its homogenized properties within the framework of a second gradient theory (or a constrained micromorphic one). Cauchy models are also not well-suited for the description of the dynamic response of certain microstructured materials showing dispersive behaviors or band-gaps. Enriched continuous theories (and in particular the relaxed micromorphic model) can be good candidates for modeling these materials in a more precise and realistic way, since they can include the macroscopic manifestation of their microstructure. These microstructured materials may have original properties, to improve and optimize the responses of the structures that use them. Indeed, these structures are designed using such microstructured materials - also known as metamaterials - to exhibit improved strengths, shaping facilities, minimized weights, and much more. They can also possess innovative properties in the field of vibration control or in the field of stealth technology.

Limportance des différentes sources de variation phénotypique que sont ladaptation, la plasticité phénotypique, les effets maternels environnementaux, le niveau de ploïdie et la dérive génétique, a été analysée pour différents traits dhistoire de vie, au sein de laire colonisée par une espèce végétale invasive. A cette fin, plusieurs expériences en jardins communs ont été installées, dont deux en transplantations réciproques. Les populations considérées étaient localisées en Belgique, en France, ainsi que dans laire dindigénat de lespèce. Senecio inaequidens DC. (Asteraceae), lespèce étudiée dans ce travail, est une plante dorigine africaine accidentellement introduite en Europe par le commerce lainier, vers la fin du 19ème siècle. Dans son aire dindigénat, elle présente deux niveaux de ploïdie, diploïde et tétraploïde. Seuls des plants tétraploïdes sont recensés en Europe. Lespèce présente un historique de colonisation particulier, bien documenté, qui en fait un modèle idéal pour les études évolutives. Les traits dhistoire de vie considérés ont été scindés en deux groupes. Les premiers concernaient la germination, la croissance et la reproduction sexuée. Les sources de variation phénotypique dans ces traits ont été principalement analysées en relation avec les variations climatiques dans laire dinvasion, le long de gradients daltitude, ainsi quen relation avec le niveau de ploïdie et laire dorigine (aire dindigénat vs aire dinvasion). Le deuxième groupe de traits considérés concernaient les capacités de dispersion de lespèce. Celles-ci ont été modélisées. La variabilité phénotypique dans ces traits a ensuite été analysée, parmi les populations françaises, en relation avec léloignement depuis le site de première introduction. Les résultats ont montré des différences entre les cytotypes de lespèce, principalement dans les capacités de survie hivernale. Le long des gradients daltitude, les populations de S. inaequidens présentaient des différenciations phénotypiques de type clinal, dans les traits de croissance. Ces différenciations étaient dorigine génétique, même si les effets maternels environnementaux sont apparus comme des sources non-négligeables de variation phénotypique dans les zones à climat rigoureux. Parmi les traits liés à la dispersion, le plume loading était le mieux corrélé aux capacités de dispersion par le vent. Des différenciations clinales ont été détectées dans les traits de dispersion, en jardin commun, mais nont pas été vérifiées en populations naturelles.

In dieser Arbeit wurden verschiedene GIS-basierte Habitatmodelle für den Weißstorch (Ciconia ciconia) im Gebiet der ehemaligen deutschen Provinz Ostpreußen (ca. Gebiet der russischen Exklave Kaliningrad und der polnischen Woiwodschaft Ermland-Masuren) erstellt. Zur Charakterisierung der Beziehung zwischen dem Weißstorch und der Beschaffenheit seiner Umwelt wurden verschiedene historische Datensätze über den Bestand des Weißstorches in den 1930er Jahren sowie ausgewählte Variablen zur Habitat-Beschreibung genutzt. Die Aufbereitung und Modellierung der verwendeten Datensätze erfolgte mit Hilfe eines geographischen Informationssystems (ArcGIS) und einer statistisch-mathematischen Methode aus den Bereichen „Machine Learning“ und „Data-Mining“ (TreeNet, Salford Systems Ltd.). Unter Verwendung der historischen Habitat-Parameter sowie der Daten zum Vorkommen des Weißstorches wurden quantitative Modelle auf zwei Maßstabs-Ebenen erstellt: (i) auf Punktskala unter Verwendung eines Rasters mit einer Zellgröße von 1 km und (ii) auf Verwaltungs-Kreisebene basierend auf der Gliederung der Provinz Ostpreußen in ihre Landkreise. Die Auswertung der erstellten Modelle zeigt, dass das Vorkommen von Storchennestern im ehemaligen Ostpreußen, unter Berücksichtigung der hier verwendeten Variablen, maßgeblich durch die Variablen ‚forest’, ‚settlement area’, ‚pasture land’ und ‚coastline’ bestimmt wird. Folglich lässt sich davon ausgehen, dass eine gute Nahrungsverfügbarkeit, wie der Weißstorch sie auf Wiesen und Weiden findet, sowie die Nähe zu menschlichen Siedlungen ausschlaggebend für die Nistplatzwahl des Weißstorches in Ostpreußen sind. Geschlossene Waldgebiete zeigen sich in den Modellen als Standorte für Horste des Weißstorches ungeeignet. Der starke Einfluss der Variable ‚coastline’ lässt sich höchstwahrscheinlich durch die starke naturräumliche Gliederung Ostpreußens parallel zur Küstenlinie erklären. In einem zweiten Schritt konnte unter Verwendung der in dieser Arbeit erstellten Modelle auf beiden Skalen Vorhersagen für den Zeitraum 1981-1993 getroffen werden. Dabei wurde auf dem Punktmaßstab eine Abnahme an potentiellem Bruthabitat vorhergesagt. Im Gegensatz dazu steigt die vorhergesagte Weißstorchdichte unter Verwendung des Modells auf Verwaltungs-Kreisebene. Der Unterschied zwischen beiden Vorhersagen beruht vermutlich auf der Verwendung unterschiedlicher Skalen und von zum Teil voneinander verschiedenen erklärenden Variablen. Weiterführende Untersuchungen sind notwendig, um diesen Sachverhalt zu klären. Des Weiteren konnten die Modellvorhersagen für den Zeitraum 1981-1993 mit den vorliegenden Bestandserfassungen aus dieser Zeit deskriptiv verglichen werden. Es zeigt sich hierbei, dass die hier vorhergesagten Bestandszahlen höher sind als die in den Zählungen ermittelten. Die hier erstellten Modelle beschreiben somit vielmehr die Kapazität des Habitats. Andere Faktoren, die die Größe der Weißstorch-Population bestimmen, wie z.B. Bruterfolg oder Mortalität sollten in zukünftige Untersuchungen mit einbezogen werden. Es wurde ein möglicher Ansatz aufgezeigt, wie man mit den hier vorgestellten Methoden und unter Verwendung historischer Daten wertvolle Habitatmodelle erstellen sowie die Auswirkung von Landnutzungsänderungen auf den Weißstorch beurteilen kann. Die hier erstellten Modelle sind als erste Grundlage zu sehen und lassen sich mit Hilfe weitere Daten hinsichtlich Habitatstruktur und mit exakteren räumlich expliziten Angaben zu Neststandorten des Weißstorches weiter verfeinern. In einem weiteren Schritt sollte außerdem ein Habitatmodell für die heutige Zeit erstellt werden. Dadurch wäre ein besserer Vergleich möglich hinsichtlich erdenklicher Auswirkungen von Änderungen der Landnutzung und relevanten Umweltbedingungen auf den Weißstorch im Gebiet des ehemaligen Ostpreußens sowie in seinem gesamten Verbreitungsgebiet. / Different habitat models were created for the White Stork (Ciconia ciconia) in the region of the former German province of East Prussia (equals app. the current Russian oblast Kaliningrad and the Polish voivodship Warmia-Masuria). Different historical data sets describing the occurrence of the White Stork in the 1930s, as well as selected variables for the description of landscape and habitat, were employed. The processing and modeling of the applied data sets was done with a geographical information system (ArcGIS) and a statistical modeling approach that comes from the disciplines of machine-learning and data mining (TreeNet by Salford Systems Ltd.). Applying historical habitat descriptors, as well as data on the occurrence of the White Stork, models on two different scales were created: (i) a point scale model applying a raster with a cell size of 1 km2 and (ii) an administrative district scale model based on the organization of the former province of East Prussia. The evaluation of the created models show that the occurrence of White Stork nesting grounds in the former East Prussia for most parts is defined by the variables ‘forest’, ‘settlement area’, ‘pasture land’ and ‘proximity to coastline’. From this set of variables it can be assumed that a good food supply and nesting opportunities are provided to the White Stork in pasture and meadows as well as in the proximity to human settlements. These could be seen as crucial factors for the choice of nesting White Stork in East Prussia. Dense forest areas appear to be unsuited as nesting grounds of White Storks. The high influence of the variable ‘coastline’ is most likely explained by the specific landscape composition of East Prussia parallel to the coastline and is to be seen as a proximal factor for explaining the distribution of breeding White Storks. In a second step, predictions for the period of 1981 to 1993 could be made applying both scales of the models created in this study. In doing so, a decline of potential nesting habitat was predicted on the point scale. In contrast, the predicted White Stork occurrence increases when applying the model of the administrative district scale. The difference between both predictions is to be seen in the application of different scales (density versus suitability as breeding ground) and partly dissimilar explanatory variables. More studies are needed to investigate this phenomenon. The model predictions for the period 1981 to 1993 could be compared to the available inventories of that period. It shows that the figures predicted here were higher than the figures established by the census. This means that the models created here show rather a capacity of the habitat (potential niche). Other factors affecting the population size e.g. breeding success or mortality have to be investigated further. A feasible approach on how to generate possible habitat models was shown employing the methods presented here and applying historical data as well as assessing the effects of changes in land use on the White Stork. The models present the first of their kind, and could be improved by means of further data regarding the structure of the habitat and more exact spatially explicit information on the location of the nesting sites of the White Stork. In a further step, a habitat model of the present times should be created. This would allow for a more precise comparison regarding the findings from the changes of land use and relevant conditions of the environment on the White Stork in the region of former East Prussia, e.g. in the light of coming landscape changes brought by the European Union (EU).

An electrolytic cell was designed, built, and tested with several proof-of-concept experiments in which Zircaloy material was charged with hydrogen in order to generate zirconium hydride formations. The Electrolytic Charging with Hydrogen and a Thermal Gradient (ECH-TG) system has the ability to generate static 20°C to 120°C temperatures for a H2SO4 and H2O bath for isothermal experiment conditions. This system was designed to accommodate a molten salt bath in future experiments to achieve higher isothermal temperatures. Additionally, the design accommodates a cartridge heater, which when placed on the inside of the sample tube, can be set at temperatures up to 350 °C and create a thermal gradient across the sample. Finally, a custom LABVIEW VI, L2.vi, was developed to control components and record data during experimentation. This program, along with web cameras and the commercial StirPC software package, enables remote operation for extended periods of time with only minor maintenance during an experiment. While proving the concept for this design, 19 experiments where performed, which form the basis for a future parametric study. Initial results indicate formations of zirconium hydrides which formed rim structures between 8.690 +/- 0.982 μm and 12.365 +/- 0.635 μm thick. These electrolytically produced rims were compared with hydrides formed under a previous vapor diffusion experiment via Scanning Electron Microscope (SEM) imaging and Energy dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) analysis. While the existing vapor diffusion method formed gradients of zirconium hydride, it failed to produce the gradient in the correct direction and also failed to create a hydride rim. The successful use of the ECH-TG system to create said rim, and some of the methods used to direct that rim to the OD of the tube can be used for future work with the vapor diffusion method in order to create zirconium hydrides of the correct geometry. The procedures and apparatus created for this project represent a reliable method for creating zirconium hydride rim structures.

Over the last 25 years, interior-point methods (IPMs) have emerged as a viable class of algorithms for solving various forms of conic optimization problems. Most IPMs use a modified Newton method to determine the search direction at each iteration. The system of equations corresponding to the modified Newton system can often be reduced to the so-called normal equation, a system of equations whose matrix ADA' is positive definite, yet often ill-conditioned. In this thesis, we first investigate the theoretical properties of the maximum weight basis (MWB) preconditioner, and show that when applied to a matrix of the form ADA', where D is positive definite and diagonal, the MWB preconditioner yields a preconditioned matrix whose condition number is uniformly bounded by a constant depending only on A. Next, we incorporate the results regarding the MWB preconditioner into infeasible, long-step, primal-dual, path-following algorithms for linear programming (LP) and convex quadratic programming (CQP). In both LP and CQP, we show that the number of iterative solver iterations of the algorithms can be uniformly bounded by n and a condition number of A, while the algorithmic iterations of the IPMs can be polynomially bounded by n and the logarithm of the desired accuracy. We also expand the scope of the LP and CQP algorithms to incorporate a family of preconditioners, of which MWB is a member, to determine an approximate solution to the normal equation. For the remainder of the thesis, we develop a new preconditioning strategy for solving systems of equations whose associated matrix is positive definite but ill-conditioned. Our so-called adaptive preconditioning strategy allows one to change the preconditioner during the course of the conjugate gradient (CG) algorithm by post-multiplying the current preconditioner by a simple matrix, consisting of the identity matrix plus a rank-one update. Our resulting algorithm, the Adaptive Preconditioned CG (APCG) algorithm, is shown to have polynomial convergence properties. Numerical tests are conducted to compare a variant of the APCG algorithm with the CG algorithm on various matrices.

Morphogens are secreted signalling molecules that are expressed in restricted groups of cells within the developing tissue. From there, they are secreted and travel throughout the target field and form concentration gradients. These concentration profiles endow receiving cells with positional information. A number of experiments in Drosophila demonstrated that the morphogen Decapentaplegic (Dpp) forms activity gradients by inducing the expression of several target genes above distinct concentration thresholds at different distances from the source. This way, Dpp contributes to developmental fates in the target field such as the Drosophila wing disc. Although the tissue distribution as well as the actual shape and size of the Dpp morphogen concentration gradient has been visualized, the cell biological mechanisms through which the morphogen forms and maintains a gradient are still a subject of debate. Two hypotheses as to the dominant mechanism of movement have been proposed that can account for Dpp spreading throughout the Drosophila wing imaginal target tissue: extracellular diffusion and planar transcytosis, i. e. endocytosis and resecretion of the ligand that is thereby transported through the cells. Here, I present data indicating that implications of a theoreticalanalysis of Dpp spreading, where Dpp transport through the target tissue is solely based on extracellular diffusion taking into account receptor binding and subsequent internalization, are inconsistent with experimental results. By performing Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) experiments, I demonstrate a key role of Dynamin-mediated endocytosis for Dpp gradient formation. In addition, I show that most of GFP-Dpp traffics through endocytic compartments at the receiving epithelial cells, probably recycled through apical recycling endosomes (ARE). Finally, a Dpp recycling assay based on subcellular photouncage of ligand is presented to address specifically the Dpp recycling event at the receiving cells.