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Micromegas are high-rate capable, high-resolution micro-pattern gaseous detectors. Square meter sized resistive strip Micromegas are foreseen as replacement of the currently used precision tracking detectors in the Small Wheel, which is part of the forward region of the ATLAS muon spectrometer. The replacement is necessary to ensure tracking and triggering performance of the muon spectrometer after the luminosity increase of the Large Hadron Collider beyond its design value of $10^{34}$\,cm$^{-2}$s$^{-1}$ around 2020. In this thesis a novel discharge tolerant floating strip Micromegas detector is presented and described. By individually powering copper anode strips, the effects of a discharge are confined to a small region of the detector. This reduces the impact of discharges on the efficiency by three orders of magnitude, compared to a standard Micromegas. The physics of the detector is studied and discussed in detail. Several detectors are developed: A $6.4\times6.4\,$cm$^2$ floating strip Micromegas with exchangeable SMD capacitors and resistors allows for an optimization of the floating strip principle. The discharge behavior is investigated on this device in depth. The microscopic structure of discharges is quantitatively explained by a detailed detector simulation. A $48\times50\,$cm$^2$ floating strip Micromegas is studied in high energy pion beams. Its homogeneity with respect to pulse height, efficiency and spatial resolution is investigated. The good performance in high-rate background environments is demonstrated in cosmic muon tracking measurements with a $6.4\times6.4\,$cm$^2$ floating strip Micromegas under lateral irradiation with 550\,kHz 20\,MeV proton beams. A floating strip Micromegas doublet with low material budget is developed for ion tracking without limitations from multiple scattering in imaging applications during medical ion therapy. Highly efficient tracking of 20\,MeV protons at particle rates of 550\,kHz is possible. The reconstruction of the track inclination in a single detector plane is studied and optimized. A quantitative description of the systematic deviations of the method is developed, that allows for correcting the reconstructed track inclinations. The low material budget detector is tested in therapeutic proton and carbon ion beams at particle rates between 2\,MHz and 2\,GHz. No reduction of the detector up-time due to discharges is observed. The measurable pulse height decreases by only 20\% for an increase of particle rate from 2\,MHz to 80\,MHz. Efficient single particle tracking is possible at flux densities up to 7\,MHz/cm$^2$. The good multi-hit resolution of floating strip Micromegas is shown. / Micromegas sind mikrostrukturierte Gasdetektoren, die auch bei sehr hohen Raten Teilchenspuren pr\"azise vermessen k\"onnen. Micromegas Detektoren mit resistiven Streifen und einer aktiven Fl\"ache von mehreren Quadratmeter werden die im Moment im Small Wheel Be\-reich des ATLAS Myonspektrometers eingebauten Spurdetektoren ersetzen. Der Austausch ist notwendig, um die geforderte Triggerf\"ahigkeit und die genaue Spurvermessung im Myonspektrometer auch nach der f\"ur etwa 2020 geplanten Erh\"ohung der Luminosit\"at des Large Hadron Colliders auf Werte jenseits der Designluminosit\"at von $10^{34}$\,cm$^{-2}$s$^{-1}$ sicher zu stellen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger floating strip Micromegas Detektor vorgestellt und beschrieben, dessen Verhalten von auftretenden Entladungen nur in geringem Umfang beeinflusst wird. Indem die Kupferstreifen, die die Auslesestruktur bilden, einzeln mit Hochspannung versorgt werden, k\"onnen die Auswirkungen von Entladungen auf einen kleinen Bereich des Detektors begrenzt werden. Dadurch vermindert sich der Effizienzverlust durch Entladungen im Vergleich zu normalen Micromegas um drei Gr\"o{\ss}enordnungen. Die im Detektor auftretenden physikalischen Prozesse werden untersucht und detailliert diskutiert. Mehrere unterschiedliche Detektoren werden entwickelt: Die Optimierung des floating strip Prinzips ist mithilfe eines kleinen floating strip Micromegas mit austauschbaren SMD Kondensatoren und Widerst\"anden m\"oglich. Entladungen werden mit diesem Detektor, der eine aktive Fl\"ache von $6.4\times6.4\,$cm$^2$ besitzt, ausf\"uhrlich untersucht. Eine detaillierte Detektorsimulation, erlaubt die quantitative Beschreibung der Struktur von Entladungen. Die Eigenschaften eines gro{\ss}en floating strip Micromegas mit einer aktiven Fl\"ache von $48\times50\,$cm$^2$ wird durch Bestrahlung mit hochenergetische Pionen vermessen. Dabei wird insbesondere die Homogenit\"at des Detektor im Bezug auf Pulsh\"ohe, Nachweiseffizienz und Orts\-aufl\"osung untersucht. Studien zum Nachweis von Spuren kosmischer Myonen in einem $6.4\times6.4\,$cm$^2$ gro{\ss}en floating strip Micromegas unter seitlicher Bestrahlung mit 20\,MeV Protonen bei einer Rate von 550\,kHz, demonstrieren die Leistungsf\"ahigkeit dieser Detektoren bei hohen Untergrundraten. Ein Detektormodul mit stark reduzierter Absorptionsl\"ange und einer aktiven Fl\"ache von $6.4\times6.4\,$cm$^2$, bestehend aus zwei floating strip Micromegas, wird entwickelt. Durch Verringerung der Vielfachstreuung erm\"oglicht es die genaue Spurbestimmung von niederenergetischen Ionen in medizinischen Bildgebungsverfahren. Seine Nachweiseffizienz f\"ur 20\,MeV Protonen bei einer Rate von 550\,kHz ist hoch. Ein Verfahren zur Bestimmung der Steigung von Teilchenspuren innerhalb einer Detektorlage wird untersucht und optimiert. Dabei auftretende systematische Abweichungen der rekonstruierten Spursteigungen, werden durch eine detaillierte Detektorsimulation quantitativ beschrieben und lassen sich so korrigieren. Das Verhalten dieses Detektormoduls in Proton- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen wird bei Teilchenraten zwischen 2\,MHz und 2\,GHz untersucht. Eine gleichbleibend hohe Nachweisf\"ahigkeit wird beobachtet, die mittlere Pulsh\"ohe verringert sich nur um 20\% bei einer Erh\"ohung der Teilchenrate von 2\,MHz auf 80\,MHz. Der vollst\"andige Nachweis einzelner Teilchenspuren ist bis zu einer Teilchenflussdichte von 7\,MHz/cm$^2$ m\"oglich. Die Detektoren sind in der Lage, etliche Teilchenspuren gleichzeitig nachzuweisen.

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Der Beitrag der Luftfahrt am gesamten anthropogenen Strahlungsantrieb beträgt 3-8 %. Mit steigendem Luftverkehrsaufkommen um etwa 5 % jährlich wächst dieser Beitrag stetig an. Kondensstreifenzirren machen den größten Anteil an der Klimawirkung des Luftverkehrs aus. Die Ergebnisse der bisherigen Studien sind aber noch mit großen Unsicherheiten versehen. Mit dem Ziel einer realistischeren Darstellung von Kondensstreifenzirren und genaueren Validierungsmöglichkeiten der Kondensstreifenzirren-Parametrisierung im Klimamodell wird in dieser Arbeit die Parametrisierung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften von Kondensstreifenzirren, welche einen großen Einfluss auf deren Klimawirksamkeit haben, verbessert. Als Vorarbeit musste das im Klimamodell ECHAM5 verwendete Zwei-Momenten-Schema für natürliche Wolken in Bezug auf die Konsistenz der Mikrophysik mit einem fraktionellen Bedeckungsgradschema modifiziert werden. Zudem wurde die Nukleationsparametrisierung um den Einfluss durch präexistierendes Eis erweitert. Die für ECHAM4 entwickelte Kondensstreifenzirren-Parametrisierung wurde in ECHAM5 übertragen und um das Zwei- Momenten-Schema erweitert. Neben dem Eiswassergehalt wird damit auch die Eispartikelanzahldichte im Modell prognostiziert. Folglich kann die mittlere Eispartikelgröße bestimmt werden. Es stellte sich heraus, dass genaue Informationen über die Ausdehnung des Volumens der Kondensstreifenzirren wichtig für die Darstellung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften der Kondensstreifenzirren sind. Der Einfluss von Diffusion und Sedimentation auf die Vergrößerung des Volumens der Kondensstreifenzirren wurde im Modell parametrisiert. Das Ergebnis zeigt eine ähnliche globale Verteilung der Kondensstreifenzirren wie in der Studie mit ECHAM4. Die Bedeckungsgrade sind jedoch höher, zeigen aber im Vergleich mit Satellitendaten gute Übereinstimmungen. Die optische Dicke orientiert sich einerseits an der Höhe des Eiswassergehalts. Beide zeigen Maxima in den Tropen, wo die Menge des kondensierbaren Wasserdampfs hoch ist. Andererseits orientiert sich die globale Verteilung der mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften, anders als in früheren Studien, stark an der Flugverkehrsdichte. Durch häufige Bildung von Eispartikeln in den Hauptfluggebieten bleibt die Eispartikelanzahldichte groß und die mittlere Partikelgröße klein. Folglich ist die optische Dicke in diesen Gebieten durch die Berücksichtigung der Eispartikelanzahldichte höher als in früheren Studien. Wenn man, wie in früheren Studien, das Strahlungschema mit einer Beschränkung auf größere Eispartikel anwendet, ist der Strahlungsantrieb mit 29 mW/m2 im Vergleich zur vorangegangenen Studie in ECHAM4 etwas geringer. Emittierte Rußpartikel aus den Flugzeugtriebwerken stellen eine dominierende Quelle der Eispartikel in Kondensstreifenzirren dar. Die erweiterte Parametrisierung von Kondensstreifenzirren im Modell ist Voraussetzung für eine Studie über den Einfluss einer Rußemissionsänderung auf den Strahlungsantrieb von Kondensstreifenzirren. Bei einer angenommenen Reduzierung der initialen Eispartikelanzahldichte um 80 % werden die Eispartikel größer und die optische Dicke kleiner. Der Bedeckungsgrad der sichtbaren Kondensstreifenzirren veringert sich um mehr als die Hälfte, jedoch wurde die Vermutung, dass sich die Lebensdauer der Kondensstreifenzirren durch die Bildung größerer Eispartikel verkürzt, nicht bestätigt.

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The Carina Nebula Complex is known to be an active star-formation region. This work presents a large catalogue of point-like sources assembled from archive data of the Infrared Array Camera (IRAC) onboard the Spitzer Space Telescope. This catalogue covers a region of 2.3 deg × 3.0 deg, which makes it the most extendended mid-infrared survey undertaken of the Carina Nebula Complex to date. From the catalogue a subsample of candidate young stellar objects is extracted utilising the fact that young stellar objects exhibit typical mid-infrared excesses. These catalogues are employed to characterise the young stellar population of the Carina Nebula Complex. Using them, it was possible to identify three new extended green objects and five compact green objects and find the probable sources for 28 further objects connected with jets emitted from young stars, such as molecular hydrogen emission-line objects and Herbig-Haro jets. For 17 of them, observational data from the near-infrared (from HAWK-I and 2MASS) to the far-infrared (from the Herschel Space Observatory) could be collected and their spectral energy distributions fitted. From the fit parameters, stellar characteristics such as stellar and disk masses could be estimated. No young stellar objects with masses above 10 M_sol could be evidenced, pointing towards an intermediate-mass population currently forming. It could be shown that the Gum 31 region on the outer periphery of the Carina Nebula Complex is not only part of the complex but also an important centre of star formation. A large sample of candidate young stellar object was obtained from the WISE All-Sky Data Release, which allowed a detailed comparison with both the candidate young stellar objects from the IRAC catalogue and those identified from Herschel observations. Evidence could be found that two modes of triggered star formation are going on in the HII region: Young stellar objects are found in and in front of dust pillars, which is an indicator of radiative triggering, and a ‘collect and collapse’ model of the region was shown to produce results in agreement with the observations. An objective and large-scale search for clusters of young stellar objects in the complex was performed using a nearest-neighbour algorithm. This search derived 22 clusters not described before. Nine of those are new detections in the fields of previous studies of clusters while the majority are found in fields surveyed for clusters for the first time here. Clusters are also found in agreement with previous studies where study fields overlap, thus corroborating the validity of the study. It is found that ∼40% of the young stellar objects in the Carina Nebula Complex occur in clusters while up to 60% are part of a distributed population. A total population for the 2.3 deg × 3.0 deg study field of ∼200 000 young stars is estimated.

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The work presented here focuses on the investigation and further development of simple mass estimators for early-type galaxies which are suitable for large optical galaxy surveys with poor and/or noisy data. We consider simple and robust methods that provide an anisotropy-independent estimate of the galaxy mass relying on the stellar surface brightness and projected velocity dispersion profiles. Under reasonable assumptions a fundamental mass-anisotropy degeneracy can be circumvented without invoking any additional observational data, although at a special (characteristic) radius only, i.e these approaches do not recover the radial mass distribution. Reliable simple mass estimates at a single radius could be used (i) to cross-calibrate other mass determination methods; (ii) to estimate a non-thermal contribution to the total gas pressure when compared with the X-ray mass estimate at the same radius; (iii) to evaluate a dark matter fraction when compared with the luminous mass estimate; (iv) to derive the slope of the mass profile when combined with the mass estimate from strong lensing; (v) or as a virial mass proxy. Two simple mass estimators have been suggested recently - the local (Churazov et al. 2010) and the global (Wolf et al. 2010) methods - which evaluate mass at a particular radius and are claimed to be weakly dependent on the anisotropy of stellar orbits. One approach (Wolf et al. 2010) uses the total luminosity-weighted velocity dispersion and evaluates the mass at a deprojected half-light radius, i.e. relies on the global properties of a galaxy. In contrast, the Churazov et al. technique uses local properties: logarithmic slopes of the surface brightness and velocity dispersion profiles, and recovers the mass at a radius where the surface brightness declines as R^{-2} (see also Richstone and Tremaine 1984, Gerhard 1993). To test the robustness and accuracy of the methods I applied them to analytic models and to simulated galaxies from a sample of cosmological zoom-simulations which are similar in properties to nearby early-type galaxies. Both local and global simple mass estimates are found to be in good agreement with the true mass at the corresponding characteristic radius. Particularly, for slowly rotating simulated galaxies the local method gives an almost unbiased mass-estimate (when averaged over the sample) with a modest RMS-scatter of 12% (Chapter 2). When applied to massive simulated galaxies with a roughly flat velocity dispersion profile, the global approach on average also provides the almost unbiased mass-estimate, although the RMS-scatter is slightly larger (14-20 %) than for the local estimator (Chapter 4). A noticeable scatter in the determination of the characteristic radius is also expected since the half-light radius depends on the radial range used for the analysis and applied methodology. Next I tested the simple mass estimators on a sample of real early-type galaxies which had previously been analyzed in detail using state-of-the-art dynamical modeling. For this set of galaxies the simple mass estimates are in remarkable agreement with the results of the Schwarzschild modeling despite the fact that some of the considered galaxies are flattened and mildly rotating. When averaged over the sample the simple local method overestimates the best-fit mass from dynamical modeling by 10% with the RMS-scatter 13% between different galaxies. The bias is comparable to measurement uncertainties. Moreover, it is mainly driven by a single galaxy which has been found to be the most compact one in the sample. When this galaxy is excluded from the sample, the bias and the RMS-scatter are both reduced to 6%. The global estimator for the same sample gives the mean deviation 4% with the slightly larger RMS-scatter of 15% (Chapter 4). Given the encouraging results of the tests I apply the local mass estimation method to a sample of five X-ray bright early-type galaxies observed with the 6-m telescope BTA in Russia. Using publicly available Chandra data I derived the X-ray mass profile assuming spherical symmetry and hydrostatic equilibrium of hot gas. A comparison between the X-ray and optical mass estimates allowed me to put constraints on the non-thermal contribution (sample averaged value is 4%) to the total gas pressure arising from, for instance, microturbulent gas motions. Once the X-ray derived circular speed is corrected for the non-thermal contribution, the mismatch between the X-ray circular speed V_c^X and the optical circular velocity for isotropic stellar orbits V_c^{iso} provides a clue to the orbital structure of the galaxy. E.g., at small radii V_c^X > V_c^{iso} would suggest more circular orbits, while at larger radii this would correspond to more radial orbits. For two galaxies in our sample there is a clear indication that at radii larger than the half-light radius stellar orbits become predominantly radial. Finally, the difference between the optical mass-estimate at the characteristic radius and the stellar contribution to the total mass permitted the derivation of a dark-matter fraction. A typical dark matter fraction for our sample of early-type galaxies is 50% for Salpeter IMF and 70% for Kroupa IMF at the radius which is close to the half-light radius (Chapter 3).

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