This thesis is written as a cumulative dissertation. It presents methods and results which contribute to an improved understanding of the spatio-temporal variability of fog and fog deposition. The questions to be answered are: When is there how much fog, and where and how much fog is deposited on the vegetation as fog precipitation? Freely available data sets serve as a database. The meteorological input data are obtained from the Climate Data Center (CDC) of the German Meteorological Service (DWD). Station data for temperature, relative humidity and wind speed in hourly resolution are used. In addition, visibility data are used for validation purposes. Furthermore, Global Forest Heights (GFH) data from the National Aeronautics and Space Administration (NASA) are used as vegetation height data. The data from NASA’s Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) is used as a digital elevation model. The first publication deals with gap filling and data compression for further calculations. This is necessary since the station density for hourly data is relatively low, especially before the 2000s. In addition, there are more frequent gaps in hourly data than in, for instance, daily data, which can thus be filled. It is shown that gradient boosting (gb) enables high quality gap filling in a short computing time. The second publication deals with the determination of the fog, especially with the liquid water content (lwc). Here the focus is on the correction of measurement errors of the relative humidity as well as methods of spatial interpolation are dealt with. The resulting lwc data for Germany with a temporal resolution of one hour and a spatial resolution of one kilometre, are validated against measured lwc data as well as visibility data of the DWD. The last publication uses the data and methods of the two previous publications. The vegetation and wind speed data are also used to determine fog precipitation from the lwc data. This is validated using data from other publications and water balance calculations. In addition to the measured precipitation, the fog precipitation data are used as an input variable for the modelling. This is also one of the possible applications: To determine precipitation from fog, which is not recorded by standard measuring methods, and thus to make water balance modelling more realistic.:1 MOTIVATION 6 2 PROBLEM DEFINITION AND TARGET SETTING 6 3 STRUCTURE 7 4 MODEL LIMITS 9 5 PUBLICATIONS 9 6 OUTLOOK 29

Central stars of planetary nebulae are low-mass stars on the brink of their final evolution towards white dwarfs. Because of their surface temperature of above 25,000 K their UV radiation ionizes the surrounding material, which was ejected in an earlier phase of their evolution. Such fluorescent circumstellar gas is called a "Planetary Nebula". About one-tenth of the Galactic central stars are hydrogen-deficient. Generally, the surface of these central stars is a mixture of helium, carbon, and oxygen resulting from partial helium burning. Moreover, most of them have a strong stellar wind, similar to massive Pop-I Wolf-Rayet stars, and are in analogy classified as [WC]. The brackets distinguish the special type from the massive WC stars. Qualitative spectral analyses of [WC] stars lead to the assumption of an evolutionary sequence from the cooler, so-called late-type [WCL] stars to the very hot, early-type [WCE] stars. Quantitative analyses of the winds of [WC] stars became possible by means of computer programs that solve the radiative transfer in the co-moving frame, together with the statistical equilibrium equations for the population numbers. First analyses employing models without iron-line blanketing resulted in systematically different abundances for [WCL] and [WCE] stars. While the mass ratio of He:C is roughly 40:50 for [WCL] stars, it is 60:30 in average for [WCE] stars. The postulated evolution from [WCL] to [WCE] however could only lead to an increase of carbon, since heavier elements are built up by nuclear fusion. In the present work, improved models are used to re-analyze the [WCE] stars and to confirm their He:C abundance ratio. Refined models, calculated with the Potsdam WR model atmosphere code (PoWR), account now for line-blanketing due to iron group elements, small scale wind inhomogeneities, and complex model atoms for He, C, O, H, P, N, and Ne. Referring to stellar evolutionary models for the hydrogen-deficient [WC] stars, Ne and N abundances are of particular interest. Only one out of three different evolutionary channels, the VLTP scenario, leads to a Ne and N overabundance of a few percent by mass. A VLTP, a very late thermal pulse, is a rapid increase of the energy production of the helium-burning shell, while hydrogen burning has already ceased. Subsequently, the hydrogen envelope is mixed with deeper layers and completely burnt in the presence of C, He, and O. This results in the formation of N and Ne. A sample of eleven [WCE] stars has been analyzed. For three of them, PB 6, NGC 5189, and [S71d]3, a N overabundance of 1.5% has been found, while for three other [WCE] stars such high abundances of N can be excluded. In the case of NGC 5189, strong spectral lines of Ne can be reproduced qualitatively by our models. At present, the Ne mass fraction can only be roughly estimated from the Ne emission lines and seems to be in the order of a few percent by mass. Furthermore, using a diagnostic He-C line pair, the He:C abundance ratio of 60:30 for [WCE] stars is confirmed. Within the framework of the analysis, a new class of hydrogen-deficient central stars has been discovered, with PB 8 as its first member. Its atmospheric mixture resembles rather that of the massive WNL stars than of the [WC] stars. The determined mass fractions H:He:C:N:O are 40:55:1.3:2:1.3. As the wind of PB 8 contains significant amounts of O and C, in contrast to WN stars, a classification as [WN/WC] is suggested. / Zentralsterne Planetarischer Nebel sind massearme Sterne kurz vor ihrer finalen Entwicklung zu Weißen Zwergen. Aufgrund ihrer Oberflächentemperatur von über 25 000 K sind sie in der Lage, durch Abstrahlung von UV-Licht das sie umgebende Material, welches in einer vorigen Phase ihrer Entwicklung abgestoßen wurde, zu ionisieren. Das solchermaßen zum Leuchten angeregte Gas bezeichnet man als Planetarischen Nebel. Etwa ein Zehntel der galaktischen Zentralsterne sind wasserstoffarm. Im Allgemeinen besteht die Oberfläche dieser Zentralsterne aus einer Mischung der Elemente Helium, Kohlenstoff und Sauerstoff, welche z.T. durch Heliumbrennen erzeugt wurden. Die meisten dieser Sterne haben darüberhinaus einen starken Sternwind, ähnlich den massereichen Pop-I-Wolf-Rayet-Sternen und werden in Analogie zu diesen als [WC] klassifiziert, wobei die eckigen Klammern der Unterscheidung von den massereichen WC-Sternen dienen. Qualitative Analysen der Spektren von [WC]-Sternen lassen eine Entwicklungssequenz dieser Sterne von kühleren sogenannten late-type [WC]-Sternen (kurz [WCL]) zu sehr heißen, early-type [WC]-Sternen (kurz [WCE]) vermuten. Mithilfe von Computerprogrammen, die den Strahlungstransport im mitbewegten Beobachtersystem zusammen mit den statistischen Gleichungen der Besetzungszahlen der Ionen im Sternwind rechnen können, wurden quantitative Untersuchungen der Winde von [WC]-Sternen möglich. Erste Analysen mit Modellen ohne Eisenlinien ergaben dabei systematisch unterschiedliche Häufigkeiten für [WCL]- und [WCE]-Sterne. Während sich für [WCL]-Sterne ein Verhältnis der Massenanteile von He:C von etwas 40:50 ergab, fand man für die [WCE]-Sterne ein mittleres Verhältnis von 60:30 für die He:C-Massenanteile. Dabei sollte die Entwicklung von [WCL] nach [WCE] innerhalb einer sehr kurzen Zeit durch Aufheizung infolge der Kontraktion der Hülle erfolgen und nicht mit einer wesentlichen Abnahme der Kohlenstoffhäufigkeit bei gleichzeitiger Zunahme der Heliumhäufigkeit an der Oberfläche einhergehen. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wird untersucht, ob sich mittels verbesserter Modelle für die Atmosphären von [WC]-Sternen das He:C-Häufigkeitsverhältnis der [WCE]-Sterne bestätigt. Elaboriertere Modelle, welche vom Potsdamer WR-Modelatmosphären-Code (PoWR) berechnet werden können, berücksichtigen Line-Blanketing aufgrund von Elementen der Eisengruppe, kleinskalige Windinhomogenitäten und die Elemente He, C, O, H, P, N und Ne. Unter Bezug auf Sternentwicklungsmodelle, die die Ursache der Wasserstoffunterhäufigkeit von [WC]-Sternen erklären, sind insbesondere die Neon- und Stickstoff-Häufigkeiten interessant. Von den drei möglichen Entwicklungskanälen für [WC]-Sterne führt lediglich das VLTP-Szenario zu einer Stickstoff-Überhäufigkeit von einigen Prozent bezogen auf die Masse. Bei einem VLTP, einem very late thermal pulse, handelt es sich um einen plötzlichen, starken Anstieg der Energieproduktion in der helium-brennenden Schale, während das Wasserstoffbrennen bereits zum Erliegen gekommen ist. Infolge eines VLTPs wird sämtlicher Wasserstoff kurz nach dem thermischen Puls in tiefere Schichten gemischt und in Anwesenheit von C, He und O verbrannt. Infolgedessen wird N und auch Ne erzeugt. Bei der Analyse von elf [WCE]-Sternen wurden für drei von ihnen, PB 6, NGC 5189 und [S71d]3, Stickststoffmassenanteile von 1,5 % bestimmt, während für drei andere Sterne solche hohen Stickstoffhäufigkeiten ausgeschlossen werden können. Für NGC 5189 gelang außerdem die qualitative Reproduktion der beobachteten, starken Ne-Spektrallinien mittels unserer Modelle. Zur Zeit lässt sich aus der Stärke der Ne-Emissionslinien der Ne-Massenanteil leider nur abschätzen, er scheint aber im Bereich einiger Prozent zu liegen. Mittels eines diagnostischen He-C-Linienpaares konnte das He:C-Massenverhältnis von 60:30 für [WCE]-Sterne bestätigt werden. Als Ergebnis der Analyse von PB 8 postulieren wir eine neue Klasse von wasserstoffarmen Zentralsternen, die in ihrer Elementzusammensetzung eher an massereiche WNL-Sterne als an [WC]-Sterne erinnern. Die ermittelten Massenanteile H:He:C:N:O betragen 40:55:1.3:2:1.3, der Wind von PB 8 enthält daher im Unterschied zu WN-Sternen signifikante Mengen von O und C. Es wird daher eine Klassifizierung als [WN/WC] vorgeschlagen.

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Habil.-Schr., 2007.

Abbildende Cherenkov-Teleskope haben in den letzten Jahren eine groẞe Anzahl neuer Gammastrahlungsquellen im Bereich sehr hoher Energien (VHE, very high energy, E>100 GeV) entdeckt. Diese Studie behandelt Vertreter von drei unterschiedlichen Klassen von galaktischen Gammastrahlungsquellen: die Supernova-Überreste G1.9+0.3 und G330.2+1.0, den Pulsarwind-Nebel HESS J1303-631 und das Binärsystem PSR B1259-63/LS 2883. Für alle Objekte werden die Analyse der H.E.S.S.-Daten und die Modellierung der Emission unter Einbeziehung von Daten aus anderen Wellenlängenbereichen dargestellt. / Recently, imaging atmospheric Cherenkov telescopes have discovered numerous new sources representing various source classes in the very high energy (VHE; E>100 GeV) sky. This work presents studies of representatives of three types of Galactic VHE emitters: the Supernova remnants G1.9+0.3 and G330.2+1.0, the pulsar wind nebula HESS J1303-631 and the binary system PSR B1259-63/LS 2883. The analysis of the H.E.S.S. data and the broadband emission modeling are presented.

HESS J1741−302 ist eine nicht identifizierte Quelle sehr hochenergetischer Gammastrahlen, welche circa 1,7 Grad vom Zentrum der Milchstraße entfernt liegt. Diese Quelle ist eines der schwächsten Objekte im TeV-Bereich mit einem Photonfluss von Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1, was ~1% des Krebsnebelflusses im gleichen Energiebereich entspricht. Die Analyse des aktuellen H.E.S.S. Datensatzes von 145 Stunden Beobachtungen mit hoher Qualität gibt Einblicke in die Morphologie von HESS J1741−302. Das Energiespektrum von HESS J1741−302 geht über 10 TeV hinaus, ohne dabei ein klares Anzeichen für einen spektralen Abbruch zu zeigen. Das Spektrum kann durch ein Potenzgesetz mit einem spektralen Index von Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys und einer Normierung bei 1 TeV von Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1 beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Szenarien für die beobachtete Gammastrahlung und deren Entstehung in Betracht gezogen. Diese beinhalten die Wechselwirkung von Protonen der kosmischen Strahlung mit Molekülwolken entlang der Sichtlinie, IC Streuung an Infrarot-Photonen eines nahe gelegenen OH/IR Sterns und die Präsenz eines Pulsarwindnebels, welcher möglicherweise zu PSR B1737−30 gehört. / HESS J1741−302 is an unidentified very-high-energy (VHE) γ-ray source located in the Galactic Plane at about 1.7° away from the Galactic Center. It is one of the faintest TeV objects detected so far, with a flux Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 corresponding to ~ 1% of the Crab Nebula flux at the same energies. The data analysis of an updated high-quality dataset of ~145 hours of VHE H.E.S.S. data taken between 2004 and 2013 has revealed the morphology of HESS J1741−302. The γ-ray spectrum of HESS J1741−302 extends beyond 10 TeV without showing any clear evidence of a cut-off. The source spectrum is well described by a power-law model with a spectral index of Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys and a normalization at 1 TeV of Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1. Different scenarios will be considered in this thesis, including the interaction of cosmic-ray protons with molecular clouds found along the line of sight, inverse Compton scattering of infra-red photons provided by a nearby OH/IR star and the presence of a nearby pulsar wind nebula possibly related to PSR B1737−30, in order to explain the observed VHE gamma-ray emission.

Diese Arbeit beschreibt die Identifikation der bisher unidentifizierten TeV Gammastrahlungsquelle, HESS J1303-631 als Pulsarwind-Nebel, angetrieben von dem Pulsar PSR J1301-6305. Dieses Ergebnis wird durch den Nachweis von energieabhängiger Morphologie in den vom High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) genommenen Daten und durch die Detektion eines neuen Röntgen-Pulsarwind-Nebels in XMM-Newton Daten erreicht. Zudem wird eine obere Schranke auf den Fluss von Radiostrahlung aus Beobachtungen mit dem Parkes Radioteleskop bei 4.48 GHz abgeleitet. Diese Ergebnisse können in einem leptonischen Modell des Pulsarwind-Nebels verstanden werden, wo Elektronen und Positronen in der Nähe des Termination Shocks des Pulsarwindes auf ultrarelativistische Energien beschleunigt werden. Diese Leptonen bilden einen ausgedehnten Pulsarwind-Nebel, der auf Grund des inversen Compton-Effekts und Synchrotronstrahlung TeV Gammastrahlung beziehungsweise Röntgen- und Radiostrahlung erzeugt. Da nur eine obere Grenze auf den Radiofluss abgeleitet wurde, erfolgte die Modellierung im Rahmen eines einfachen ``one zone models'''', wo angenommen wird, dass die Radio-, Röntgen- und Gammastrahlung alle von derselben Leptonenpopulation erzeugt werden. Das Modell wird aber trotzdem von den Daten schon eingeschränkt und liefert ein schwaches Magnetfeld von ungef 0.9 Microgauss. Diese Magnetfeldstärke ist überraschend niedrig, da in ähnlichen Systemen die Magnetfeldstärken eher bei 10 Microgauss liegen. Andererseits passt das Ergebnis gut zu dem sehr niedrigen Synchrotronstrahlungsfluss. Ein derart schwaches Magnetfeld wird im theoretischen Szenario eines ausgedehnten, beziehungsweise entwickelten Pulsarwind-Nebels erklärt. / This work represents the identification of the very high energy, E > 100 GeV (VHE), Gamma-ray source HESS J1303-631 as a pulsar wind nebula (PWN) powered by the pulsar PSR J1301-6305. This is achieved through the detection of energy dependent morphology in the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) data, the detection of a new X-ray PWN in archival XMM-Newton X-ray observations, as well as multi-wavelength modeling of the source and its energetics. An upper limit on the radio synchrotron flux is obtained from observations made by the Parkes telescope at 4.48 GHz. The combined Gamma-ray, X-ray and radio measurements are used to constrain a leptonic emission model, where strong winds of relativistic electrons and positrons from the pulsar power the acceleration of particles to ultrarelativistic energies at the wind termination shock region, and these shock accelerated leptons then form a nebula which emits in the X-ray and radio bands via synchrotron emission in the ambient magnetic field and Gamma-rays through the inverse Compton mechanism. One surprising result of this analysis is the anomalously low magnetic field derived for the PWN. Typical values for PWNe are on the order of 10 microgauss. For this source, however, the low synchrotron levels predict an average magnetic field of approximately 0.9 microgauss. The low magnetic field is explained in the scenario of an expanded/evolved PWN.

An Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) was constructed and built at Alfred-Wegener-Institute for Polar and Marine Research (AWI) in Potsdam, Germany for the lower tropospheric aerosol and cloud research under tough arctic conditions. The system was successfully used during two AWI airborne field campaigns, ASTAR 2004 and SVALEX 2005, performed in vicinity of Spitsbergen in the Arctic. The novel evaluation schemes, the Two-Stream Inversion and the Iterative Airborne Inversion, were applied to the obtained lidar data. Thereby, calculation of the particle extinction and backscatter coefficient profiles with corresponding lidar ratio profiles characteristic for the arctic air was possible. The comparison of these lidar results with the results of other in-situ and remote instrumentation (ground based Koldewey Aerosol Raman Lidar (KARL), sunphotometer, radiosounding, satellite imagery) allowed to provided clean contra polluted (Arctic Haze) characteristics of the arctic aerosols. Moreover, the data interpretation by means of the ECMWF Operational Analyses and small-scale dispersion model EULAG allowed studying the effects of the Spitsbergens orography on the aerosol load in the Planetary Boundary Layer. With respect to the cloud studies a new methodology of alternated remote AMALi measurements with the airborne in-situ cloud optical and microphysical parameters measurements was proved feasible for the low density mixed-phase cloud studies. An example of such approach during observation of the natural cloud seeding (feeder-seeder phenomenon) with ice crystals precipitating into the lower supercooled stratocumulus deck were discussed in terms of the lidar signal intensity profiles and corresponding depolarisation ratio profiles. For parts of the cloud system characterised by almost negligible multiple scattering the calculation of the particle backscatter coefficient profiles was possible using the lidar ratio information obtained from the in-situ measurements in ice-crystal cloud and water cloud. / Das Airborne Mobile Aerosol Lidar (AMALi) wurde am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung in Potsdam für die Untersuchung arktischer Aerosole und Wolken der unteren Troposphäre entwickelt und gebaut. Das AMALi wurde erfolgreich in zwei AWI Flugzeugmesskampagnen, der ASTAR 2004 und der SvalEx 2005, die in Spitzbergen in der Arktis durchgeführt wurden, eingesetzt. Zwei neue Lidar Datenauswertungsmethoden wurden implementiert: die Two-Stream Inversion und die Iterative Airborne Inversion. Damit erwies sich die Berechnung der Profile der Teilchen Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten mit einem entsprechenden Lidar Verhältnis, das charakteristisch für arktische Luft ist, als möglich. Der Vergleich dieser Auswertungen mit den Resultaten, die mit verschiedenen Fernerkundungs- und In-situ Instrumenten gewonnen worden waren (stationäres Koldewey Aerosol Raman Lidar KARL, Sonnenphotometer, Radiosondierung und Satellitenbilder) ermöglichten die Interpretation der Lidar-Resultate und eine Charakterisierung sowohl der reinen als auch der verschmutzten Luft. Außerdem konnten die Lidardaten mit operationellen ECMWF Daten und dem kleinskaligen Dispersionsmodel EULAG verglichen werden. Dadurch konnte der Einfluss der Spitzbergener Orographie auf die Aerosolladung der Planetaren Grenzschicht untersucht werden. Für Wolkenmessungen wurde eine neue Methode der alternativen Fernerkundung mit dem AMALi und flugzeuggetragenen In-situ Messgeräten verwendet, um optische und mikrophysikalische Eigenschaften der Wolken zu bestimmen. Diese Methode wurde erfolgreich implementiert und auf Mixed-Phase Wolken geringer optischen Dicke angewendet. Ein Beispiel hier stellt das Besamen der Wolken (sogenannte Feeder-Seeder Effekt) dar, bei dem Eiskristalle in eine niedrige unterkühlte Stratokumulus fallen. Dabei konnten Lidarsignale, Intensitätsprofile und die Volumendepolarisation gemessen werden. Zusätzlich konnten in den weniger dichten Bereichen der Wolken, in denen Vielfachstreuung vernachlässigbar ist, auch Profile des Teilchen Rückstreukoeffizienten berechnet werden, wobei Lidarverhältnisse genommen wurden, die aus In-situ Messungen für Wasser- und Eiswolken ermittelt wurden.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.

No description available.

No description available.