The ionosphere-thermosphere can be considered to a certain degree as a system, which is externally-driven by the extreme-ultraviolet solar radiation. The main components in the regular variation are connected to the solar cycle, solar rotation and the diurnal cycle. However, anomalies and periodicities of several days, which cannot be related to changes in the solar activity at all times, were detected in ionospheric parameters. It is assumed that the total variation in the ionosphere is partly forced by waves coming from below. This thesis provides a clearer picture of the seasonal changes of wave phenomena observed in the ionosphere and its possible relation to lower atmospheric structures. Since such global disturbances in the middle atmosphere are termed as planetary waves (PW), such features in the ionosphere are declared as planetary wave type oscillations (PWTO), although a direct connection is excluded.Northern hemispheric maps of the Total Electron Content (TEC) derived from GPS-signals that are currently used for monitoring the ionospheric F-region in relation to space weather provide a basis for investigating PWTO applying space-time analysis methods to separate stationary and traveling wave components from the data. Compared to analyses of PW obtained by regular stratospheric reanalyses the seasonal behavior and possible coexisting wave activities during the considered period of time (2002-2008) are presented. Such a climatological consideration has revealed that recurring events in the course of the solar cycle are rare, but it seems that the westward propagating quasi 16-day wave with zonal wavenumber 1, analysed from stratospheric MetO reanalyses, and the ionosphere are indirectly coupled. Generally, the correspondence of other components are restricted around the solar maximum 2002-2005. There are some suggestions, how the middle and upper atmosphere are connected by PW. Sounding of the middle atmosphere by remote sensing techniques from satellites (e.g. SABER on TIMED) deliver a suitable basis to investigate the coupling by the modulation of gravity waves (GW). By calculating the potential energy for a certain wave spectrum, characterized by vertical wavelength shorter than 6 km, and determining proxies of traveling waves permits to investigate a possible mechanism. The results reveal that GW partly penetrate the lower thermosphere carrying a modulation by PW. In some cases, especially during the first three winter, near solar maximum, stratospheric PW show a good correlation to indirect signals in the lower thermosphere and to PWTO in the ionospheric F-region near 300 km.

Moderne Produkte stellen Herausforderungen in unterschiedlichsten physikalischen Domänen, die alle bei der Produktentwicklung berücksichtigt werden müssen. Ansys hat nicht nur das richtige Werkzeug für jeden einzelnen physikalischen Bereich, sondern ermöglicht darüber hinaus, das komplexe Zusammenspiel der verschiedenen Phänomene vorherzusagen und zu bewerten. An Beispielen zeigen wir die Möglichkeiten zur multiphysikalischen Kopplung in der produktübergreifenden Benutzeroberfläche von Ansys auf. / Modern products pose challenges in various physical domains that must all be considered during product development. Ansys not only has the right tools for each individual physical domain, but also enables the prediction and evaluation of the complex interactions of different phenomena. We present the possibilities for multiphysics coupling in the cross-product user interface of Ansys with some examples.

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Der integrierte Gas-Dampf (GiD-) Prozess mit Wasserrückgewinnung ist ein flexibler Kraft-Wärme-Kopplungsprozess, der die gleichzeitige Bereitstellung von Strom und Wärme teilweise entkoppeln kann. Der effiziente und sparsame Einsatz von fossilen Brennstoffen ist aus ökonomischer wie auch ökologischer Sicht geboten. Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme, ist eine Möglichkeit dafür. Allerdings erfordert die KWK auch eine gleichzeitige Abnahme von Strom und Wärme beziehungsweise deren Speicherung. Sowohl Strom als auch Prozessdampf lassen sich nur aufwendig und damit relativ teuer speichern, weshalb Alternativen gefragt sind. Der GiD-Prozess besteht aus einer Gasturbine mit nachgeschaltetem Abhitzedampfkessel. Die Gasturbine verfügt als Besonderheit über eine Dampfinjektion, die vor, nach oder direkt in die Brennkammer erfolgen kann. Der Abhitzekessel hat zusätzliche Wärmeübertragerflächen um das Abgas bis unter den Taupunkt abzukühlen. Somit kann ein Teil des injizierten Dampfes aus dem Abgas zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Der in die Gasturbine injizierte Dampf führt dieser weitere Energie zu. Diese kann entweder zur Leistungssteigerung der Anlage oder zur Reduzierung des fossilen Brennstoffbedarfes genutzt werden. Die erste Option der Leistungssteigerung ist auch als Cheng-Prozess bekannt. Diese Arbeit widmet sich der weniger untersuchten zweiten Möglichkeit der Brennstoffreduzierung. Beim Vergleich des GiD-Prozesses mit verschiedenen anderen Kraftwerks-Prozessen zeigt sich, dass dieser besonders gut für industrielle Anlagen mit Prozessdampfbedarf und einer elektrischen Leistung kleiner 20 MW el geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der GiD-Prozess mittels einer Versuchsanlage auf Basis einer Industriegasturbine mit 650 kW el untersucht. Die Arbeit dokumentiert verschiedene Versuchsfahrten und Untersuchungen an dieser Anlage. Die Injektion von Dampf reduziert die Schadstoffemissionen in den zulässigen Bereich und kann sehr flexibel zu einer Steigerung des Anlagenwirkungsgrades von bis zu zwei Prozent führen. Dabei wird der Dampf sehr gleichmäßig in die Versuchsanlage eingebracht, so dass keine signifikanten Änderungen der Abgastemperaturverteilung erkennbar sind. Die Überhitzung des Dampfes kann zu einer weiteren Steigerung des Anlagenwirkungsgrades führen. Die Rückgewinnung des eingebrachten Dampfes ist mit den entsprechenden Wärmeübertragern möglich. Das zurückgewonnene Wasser ist durch die Stickoxide des Abgases verunreinigt und muss entsprechend aufbereitet werden.

Aus der Einleitung: "Durch die Verwendung von Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kann sowohl die erzeugte elektrische als auch die anfallende thermische Energie genutzt und somit der Nutzungsgrad der eingesetzten Primärenergie deutlich gesteigert werden. Dieses Konzept wird sowohl in Blockheizkraftwerken (BHKW) wie auch in Range Extendern (RE) verwendet (Ferrari et al. 2012). Die bisher geringe Reichweite von Elektrofahrzeugen wird durch die zusätzlich vom RE bereitgestellte elektrische Energie erweitert. ..."

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der starken Kopplung und Laseremission in Strukturen, die ZnO, ZnCdO oder organische Moleküle als aktives Material enthalten. Die ZnCdO basierten Vielfachquantengräben erreichen ihre Laserschwelle durch optische Ruckkopplung an streuenden Luftlöchern. Diese Emitter nennt man random laser. Die Dynamik ihrer Emission unter quasi-stationären Bedingungen ist der hier gezeigte Fokus. Hoch reproduzierbare Anregungen werden verwendet um sowohl die Dynamik eines einzelnen Beschusses aber auch die Unterschiede verschiedener Anregungen zu untersuchen. Die experimentellen Daten werden durch numerische Simulation qualitativ reproduziert und mit Methoden der Netzwerktheorie interpretiert. Die verbreitetere optische Rückkopplung durch einen Resonator wird in der Untersuchung des Moleküls L4P und seiner Spiro-derivate benutzt. Zwei identische Braggspiegel umschließen die aktive Schicht aus L4P-SP2, das in eine Polymermatrix eingebettet ist, eine Dicke von 12 Mikrometer hat und in einer einzelnen Mode lasert (schwache Kopplung). Durch Verringerung der aktiven Schicht auf die Hälfte der Resonanzwellenlänge wird das System in den Bereich der starken Kopplung gebracht. Eine Rabi-Aufspaltung von 90 meV wird zu beiden vibronischen Resonanzen beobachtet. Die energetische Position in Resonanz zu ZnO macht dieses Molekül zu einem guten Kandidaten für die Fertigung einer hybriden Mikrokavität im Bereich der starken Kopplung. Dies wurde in einer teilweise epitaktisch gewachsenen Mikrokavität angewandt, die aus einem ZnMgO basierten Braggspiegel und sechs Quantengräben besteht. Darauf folgt eine aufgeschleuderte Schicht von L4P in der Polymermatrix. Der Resonator wird mit einem dielektrischen Spiegel fertiggestellt. Tieftemperatur Reflektion zeigt eine deutlichen ausweichen und eine gleichverteilte Mischung der drei Resonanz im mittleren Polaritonzweig. / This thesis presents the investigation of strong coupling and lasing in structures using ZnO, ZnCdO or organic molecules as active material. The ZnCdO based multi quantum well structures reach the lasing threshold by using scattering at air holes as the optical feedback. Such emitters are called random lasers. The dynamics of their emission under quasi-stationary condition is the point of interest presented. Highly reproducible excitations are used to investigate the single shot dynamics and their shot to shot differences. The experimental data is qualitatively reproduced by numerical simulation and interpreted by means of network theory. The more common optical feedback by a cavity is applied in the investigation of the molecule L4P and its spiro-derivatives. Using two identical SiO2/ZrO2 based Bragg reflectors surrounding an active layer of L4P-SP2 in a polymer matrix of approximately 12 microns thickness reached single mode lasing (weak coupling). Reducing the active layer thickness to half the resonance wavelength pushes the system into the strong coupling regime. Angular resolved reflectivity shows the anticrossing of the tuned cavity resonance to two vibronic transitions of the molecule. The Rabi-splitting to both vibronic resonances reaches around 90 meV. The energetic position in resonance to ZnO makes this molecule a promising candidate for a hybrid inorganic/organic microcavity in the strong coupling regime. This is used in a partially epitaxially grown microcavity composed of a ZnMgO based Bragg reflector (alternating layers of different Mg content) and six quantum wells. This is followed by a spincoated layer of L4P in a polymer matrix. The cavity is finished by a dielectric mirror. Low temperature reflectivity shows a clear anticrossing reaching an equal mixing of all resonances for the middle branch.

Diese Arbeit befasst sich mit der vibronischen Kopplung zweier angeregter Elektronenniveaus in Diphenylhexatrien (DPH) und mit der Rolle von Schwingungsmoden beim ultraschnellen photoinduzierten intramolekularen Elektronentransfer in Betain-30. Mit Hilfe von Pikosekunden-zeitaufgelöster Kohärenter Antistokes Ramanspektroskopie im angeregten Zustand des DPH haben wir zum ersten Mal das Auftreten zweier extrem frequenzverbreiterter Ramanlinien beobachtet, die gegenüber dem C=C Streckschwingungsbereich zu höheren Wellenzahlen verschoben sind. Beide Ramanlinien lassen sich mit Erhöhung der Lösungsmittelpolarisierbarkeit um mehr als 50 cm-1 in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben. Zur Erklärung des Sachverhalts werden zwei Modelle diskutiert: (i) die Existenz zweier Isomere im ersten angeregten Elektronenniveau des DPH und (ii) vibronische Kopplung der beiden Elektronenniveaus durch eine niederfrequente asymmetrische bu Schwingungsbewegung (pseudo-Jahn-Teller Effekt). Mit Hilfe von stationärer Ramanspektroskopie und insbesondere Messungen der Stokes- und anti-Stokes-Ramanspektren mit Pikosekunden-Zeitauflösung, die Beteiligung von Molekülschwingungen beim Elektronentransfer in Betain-30 wurde untersucht. Zum ersten Mal wurde eine modenspezifische Kinetik der Ramanaktiven Schwingungen nach Elektronen Rücktransfer in Betain-30 beobachtet. Die hochfrequenten Ramanaktiven Moden werden beim Elektronen Rücktransfer bevorzugt, was zu einer nicht-thermischen Besetzung der Schwingungen führt. Das ist zumindest qualitativ in Übereinstimmung mit Rechnungen die auf Fermi's Goldener Regel basieren. Eine Thermalisierung zwischen den beobachteten Ramanaktiven Moden stellt sich frühestens 10 ps nach Anregung ein. Die Thermalisierung in dem gesamten Molekül ist aber noch nicht beendet. / This thesis deals with vibronic coupling effects between two excited electronic singlet states in Diphenylhexatriene (DPH), and with the role of vibrational modes in photoinduced ultrafast electron transfer in Betaine-30. By using the picosecond time-resolved Coherent Antistokes Raman Spectroscopy method, it was possible to observe for the first time two very broad and unusual up-shifted vibrational frequencies in the excited singlet state of DPH, which have frequencies higher than frequency region of the C=C stretching mode. These two frequencies shift towards lower frequencies with increasing solvent polarizability. Two explanations have been discussed: (i) the simultaneous existence of two rotamers, where the two frequencies originate from "different molecules" and (ii) a model of vibronic coupling by an asymmetric low frequency bu-mode (pseudo-Jahn-Teller effect). By using the picosecond time-resolved anti-Stokes Raman spectroscopy method, we observed for the first time mode-specific excitation of vibrational modes after back-electron transfer in Betaine-30. In the primary event, high frequency Raman active modes are most effective in accepting energy, which leads to a non-thermal distribution of the relative populations of Raman active modes. This is qualitatively in accordance with predictions derived from Fermi's Golden Rule. Although energy transfer between the Raman active modes has been finished after about 10 to 15 ps, thermalization is not yet complete in the whole molecule.

Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Mechanismen der translationalen Regulation und der Genomorganisation in Bakterien. Der erste Teil der Arbeit analysiert die Beziehung zwischen der Translationseffizienz von Genen und der Häufigkeit bestimmter Codons am Genanfang. Es ist bekannt, dass die Häufigkeitsverteilung der Codons am Anfang der Gene bei einigen Organismen eine andere ist als sonst im Genom. Durch die systematische Analyse von ungefähr 400 bakteriellen Genomen, evolutionären Simulationen und experimentellen Untersuchungen sind wir zu dem Schluss gekommen, dass die beobachtete Abweichung der Codonhäufigkeiten wohl eine Konsequenz der Notwendigkeit ist, RNA Sekundärstruktur in der Nähe des Translationsstarts zu vermeiden und somit eine effiziente Initiation der Translation zu gewährleisten. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir den Einfluss der Genreihenfolge innerhalb eines Operons auf die Fitness von E. coli. In bakteriellen Genomen vereint ein Operon funktionell zusammengehörige Gene, die in einer mRNA zusammen transkribiert werden und somit in der Expression stark korreliert sind. Daneben kann die translationale Kopplung, d. h. die Interdependenz der Translationseffizienz zwischen benachbarten Genen innerhalb einer solchen mRNA, eine bestimmte Proteinstöchiometrie weiter stabilisieren. Mithilfe eines Modells für die translationale Kopplung sowie für den Chemotaxis Signalweg konnten wir zeigen, dass die native Genreihenfolge eine der Permutationen ist, die am meisten zur Robustheit der Chemotaxis beitragen. Die translationale Kopplung ist daher ein wichtiger Faktor, der die Anordnung der Gene innerhalb des Chemotaxis Operon bestimmt. Diese Arbeit zeigt, dass die Anforderungen einer effizienten Genexpression sowie die Robustheit wichtiger zellulärer Funktionen einen Einfluss auf die Organisation eines Genoms haben können: einerseits bei der Wahl der Codons am Anfang der Gene, andererseits auf die Ordnung der Gene innerhalb eines Operons. / This work investigates the relationship between mechanisms of translational regulation and genome organization in bacteria. The first part analyzes the connection between translational efficiency and codon usage at the beginning of genes. It is known for some organisms that usage of synonymous codons at the gene start deviates from the codon usage elsewhere in the genome. By analyzing about 400 bacterial genomes, evolutionary simulations and experimental investigations, we conclude that the observed deviation of codon usage at the beginning of genes is most likely a consequence of the need to suppress mRNA structure around the ribosome binding site, thereby allowing efficient initiation of translation. We investigate further driving forces for genome organization by studying the impact of gene order within an operon on the fitness of bacterial cells. Operons group functionally related genes which are transcribed together as single mRNAs in E. coli and other bacteria. Correlation of protein levels is thus to a large extent attributed to this coupling on the transcriptional level. In addition, translational coupling, i.e. the interdependence of translational efficiency between neighboring genes within such a mRNA, can stabilize a desired stoichiometry between proteins. Here, we study the role of translational coupling in robustness of E. coli chemotaxis. By employing a model of translational coupling and simulating the underlying signal transduction network we show that the native gene order ranks among the permutations contributing most to robustness of chemotaxis. We therefore conclude that translational coupling is an important determinant of the gene order within the chemotaxis operon. Both these findings show that requirements for efficient gene expression and robustness of cellular function have a pronounced impact on the genomic organization, influencing the local codon usage at the beginning of genes and the order of genes within operons.

Zwischen neuronaler und glialer Aktivierung, dem Energiemetabolismus und dem zerebralen Gefäßbett besteht eine enge Beziehung - als Phänomen der neurometabolischen und neurovaskulären Kopplung bekannt. Diese Korrelation von elektrischer und metabolischer Aktivität sowie dem regionalen zerebralen Blutfluß besteht räumliche und zeitliche fokussiert und ist charakteristisch für das Gehirn. Das Verständnis um die Mechanismen und Mediatoren der neurovaskulären Kopplung ist von grundlegender Bedeutung für die korrekte Interpretation moderner bildgebender Verfahren im klinischen Einsatz. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Überprüfung der Hypothese eines frühen Sauerstoff-oder Glukose-Mangels im Gewebe unter funktioneller Stimulation als mögliches primäres Signal für eine nachfolgende vaskuläre Antwort. Anhand der Befunde kann jedoch ausgeschlossen werden, daß ein möglicherweise kurzzeitig auftretender Substratmangel im Gewebe registriert wird, und auf diesem Wege die Blutflußantwort auf funktionelle Stimulation initiiert wird. Die Frage nach dem eigentlichen Signal für die Blutflußantwort und dem primären Ort der Regulation (Arteriole, Kapillare, Venole) bleibt weiterhin ungeklärt. Die qualitative wie auch quantitative Charakterisierung des Verlaufs der Blutfluß- und Blutoxygenierungsveränderungen unter somatosensorischer Stimulation bildet die Grundlage für die Untersuchung von Veränderungen dieses Musters unter pathophyiologischen Bedingungen als sogenannter Fingerabdruck spezifischer zerebraler Schädigungen. Im Rahmen des zweiten Schwerpunkts beschäftigt sich vorliegende Arbeit mit der Rolle des Bioradikals Stickstoffmonoxid (NO) bei der neurovaskulären Kopplung. Ein im kortikalen Gewebe physiologisch vorhandener basaler NO Spiegel moduliert über die Bereitstellung einer basalen cyclischen Guanosin-3',5'-Monophosphat (cGMP) Konzentration vornehmlich in glatten Gefäßmuskelzellen die Reaktivtät zerebraler Gefäße sowohl auf globale vasodilatatorische Stimuli wie die Hyperkapnie als auch auf funktionelle Aktivität wie die Whisker-Stimulation der Ratte. Da die Bereitstellung des basalen NO / cGMP Spiegels im zerebralen Gewebe für physiologische vaskuläre Antworten von grundlegender Bedeutung ist, ist zu erwarten, daß eine Störung desselben durch pathophysiologische Vorgänge weitreichende Folgen für die adequate Versorgung aktivierter Hirnareale haben dürfte. / A tight relation exists between neuronal and glial cell activation, cerebral energy metabolism, and cerebral vasculature - a phenomenon known as neurometabolic and neurovascular coupling. The correlation of electrical and metabolic activity, and regional cerebral blood flow occurs at high temporal and spatial resolution, and is characteristic for the brain. We need to understand the physiology of neurometabolic and neurovascular coupling to fully exploit the potential of modern functional brain imaging, which utilizes vascular responses to map brain activity. Therefore, understanding the signalling cascade of regional vasodilation due to functional activation is of great importance. In the present work, we have shown that there is no evidence neither for an early deoxygenation nor for an early decrease in glucose concentration in the tissue at the onset of increased neuronal activity. The first event inducing regional cerebral blood flow increase as well as the vascular compartment, at which vasodilation starts (arteriole, capillary, venule), is still not known so far and has to be further investigated. In disease neurovascular coupling may be disturbed, while this disturbance may itself further contribute to tissue damage. Therefore a thorough elucidation of the physiology and pathophysiology of neurometabolic and neurovascular coupling may contribute to the development of treatment strategies in acute and chronic CNS disorders. Beside the mechanisms, little is known concerning the mediators of neurovascular coupling. The involvement of the highly diffusible vasodilator bioradical nitric oxide (NO) in the regulation of regional cerebral blood flow is widely accepted. In the present work, it has been shown that NO acts as a modulator rather than a mediator of vascular relaxation due to functional activation or systemic hypercapnia in the cerebral cortex, permitting vasodilation mediated by other agents. This modulation mainly occurs via a basal cyclic guanosin-3',5'-monophosphate (cGMP) production within the vascular smooth muscle cell. The basal modulatory concentration of NO / cyclic GMP may be disturbed during cerebrovascular disease, leading to a mismatch of regional cerebral blood flow and metabolic demand.

Die Arbeit stellt die optische Methode der Nahinfraotspektroskopie (NIRS) in der Anwendung zur Messung von Oxygenierungsänderungen am Kopf des Erwachsenen dar. Dabei werden zunächst methodische Aspekte behandelt. Dies schließt (i) die Frage ein ob Änderungen des Redox-Status der Cytochromoxidase mit der NIRS bestimmt werden können; (ii) diskutiert die Ergebnisse zur Darstellbarkeit schneller optischer Signale, wie sie in invasiven Studien als Korrelat der elektrophysiologisch messbaren neuronalen Prozesse bekannt sind und (iii) richtet sich auf die bessere Definition des Messvolumens, sowohl im Sinne einer zweidimensionalen Bildgebung der Oxygenierungs-änderungen an der Hirnoberfläche als auch die Möglichkeiten zu einer Tiefenauflösung. Bezüglich der grundlegenden physiologischen Fragestellungen thematisiert die Arbeit im zweiten Teil Fragestellungen der neuro-vaskulären Kopplung. Dies ist die Frage, wie sich die neuronale, elektrophysiologisch meßbare Aktivität von Neuronen in eine hämodynamische Antwort übersetzt. Hier sind die Einordnung der NIRS-Befunde in ein Modell der vaskulären Antwort aber auch gleichzeitige Messungen mit elektrophysiologischen Methoden und weiteren vaskulär-basierten Methoden, insbesondere der funktionellen Kernspintomographie, Fokus. Schließlich stellt die Arbeit die klinischen Perspektiven in der Neurologie dar, wie sie sich besonders für die vaskulären Erkrankungen des Gehirns aber auch für Fragestellungen bei Epilepsie und Migräne ergeben. / We here present a optical method, near-infrared spectroscopy (NIRS), and its application for non-invasive measurement of oxygenation changes in the adult head. The first part deals with methodological aspects of NIRS. This includes (i) the question whether changes of cytochrome-oxidase redox state can be monitored by NIRS; (ii) the discussion of study results investigating the non-invasive detectability of fast optical signals , known to reflect electrophysiological changes in invasive animal preparations; (iii) and finally the issue how the sampling volume can be better defined, and with respect to a two-dimensional imaging approach of cortical oxygenation changes and the methodological options to achieve a depth resolution. In a second chapter we then focus on the underlying physiological issues mainly raising questions concerning neuro-vascular coupling. Neuro-vascular coupling means the translation of neuronal activity, as can be measured by electrophysiological methods, into the haemodynamic response. Here the focus is on how the results of functional NIRS studies can be interpreted in the light of a model of the vascular response. Also the simultaneous assessment of electrophysiological parameters or the parameters of other methods based on the vascular response, especially fMRI, are dealt with in this chapter. Finally the here presented work gives perspectives of potential clinical applications of the method. This primarily means the application in stroke and other vascularly diseases in neurology, but also includes questions in the clinical fields of epilepsy and migraine.