Für astrophysikalische Quellen, z.B. aktive galaktische Kerne, werden hochenergetische Neutrinoflüsse vorhergesagt. Neutrinos und Gammastrahlen werden in hadronischen Prozessen erzeugt, für die Protonen auf hohe Energien beschleunigt werden müssen. Da Neutrinos nur schwach wechselwirken und nicht von Magnetfeldern abgelenkt werden können, bleiben Flussstärken und ihre Richtung erhalten. IceCube, ein Kubikkilometer-Detektor der sich am Südpol befindet, kann solche Neutrinos nachweisen. In dieser Arbeit wurden Daten zweier Teilkonfigurationen IceCubes (22 und 40 Trossen) ausgewertet. Die Daten, die zwischen 2007 und 2009 gesammelt wurden, bestehen hauptsächlich aus atmosphärischen Myon-Neutrinos, die im Nordhimmel erzeugt wurden und hochenergetischen atmosphärischen Myonen aus dem Südhimmel. Eine zeitunabhängige Analyse, die nach Neutrino-Punktquellen im Nordhimmel sucht, wurde mit einem sensitivitäts-optimierten Datensatz von IceCube-22 durchgeführt. Die ganze Hemisphäre und eine Liste ausgewählter Quellen wurden analysiert, wobei kein Hinweis auf extraterrestrische Neutrino-Signale gefunden wurde. Um das Entdeckungspotenzial für eine variable Quelle zu erhöhen, wurde eine nicht-getriggerte zeitabhängige Analyse entwickelt. Diese Suche ist durch Neutrino-Photon-Korrelationen und Gammastrahlung-Ausbrüche kosmischer Objekte motiviert, jedoch wurden nur Neutrino-Daten verwendet. Ein grosser Bereich möglicher Strahlungsausbruchsdauer wurde abgedeckt. Die gebinnte Methode wurde zu einer ungebinnten Likelihood-Methode erweitert, so dass die Ergebnisse um 5-25% verbessert werden konnten. Auswahlkriterien für eine Liste zeitlich veränderlicher astrophysikalischer Quellen vom ganzen Himmel wurden für IceCube-22 und IceCube-40 entwickelt. Zum ersten Mal wurde eine zeitabhängige Suchmethode im Südhimmel benutzt. Es konnten keine Ereignisüberschüsse über dem Untergrund festgestellt werden. Demzufolge wurden obere Grenzen für Neutrinoflüsse aus diesen Quellen berechnet. / High energy neutrino astronomy relies on the predictions of neutrino fluxes coming from astrophysical objects, for example active galactic nuclei. In these models, neutrinos and gamma-rays are produced in hadronic processes, which require the acceleration of protons to very high energies. Since neutrinos hardly interact and travel towards Earth undeflected by magnetic fields, they can point back to their sources. IceCube, located at the South Pole, is a large volumen detector for high energy neutrinos. In this work, data from two partial configurations of IceCube (22 and 40 strings) are analyzed. The data cover 651 days, from 2007 to 2009, and consist mostly of atmospheric muon neutrinos in the Northern sky and high energy atmospheric muons in the Southern sky. A time integrated search for neutrino point sources in the Northern sky was developed and applied to an event sample obtained for the best sensitivity, with IceCube 22-string. The search was performed on pre-selected sources and the whole hemisphere was scanned. No evidence of a neutrino signal was found. In order to enhance the flare detection probability, an untriggered time dependent search that looks for neutrino events clustering in time from specific sources in the entire sky was developed. This search was motivated by neutrino-photon correlations and the observations of flaring objects in gamma-rays, but focuses only on the neutrino data, covering a wide range of possible flare durations. The search method was expanded from a binned approach to a newly developed unbinned likelihood method, improving the results by 5-25%. Moreover, for the first time the Southern sky was analyzed with a time dependent method. A source selection criteria was developed defining two lists of variable astrophysical sources, for IceCube 22 and 40-string. The results were compatible with background fluctuations for all sources tested. Therefore, upper limits on the neutrino fluence from these sources are presented.

Diese Arbeit befasst sich mit der Suche nach astrophysikalischen Punktquellen hochenergetischer Neutrinos mit Hilfe des AMANDA-II-Detektors. Der AMANDA-Detektor erlaubt die Rekonstruktion neutrino-induzierter Myonen durch die Detektion des von diesen Myonen emittierten Cherenkov-Lichts. Es wird der Datensatz des Jahres 2000 mit einer effektiven Datennahmezeit von 197 Tagen analysiert. Nach der Unterdrückung eines wesentlichen Teils des Untergrundes atmosphärischer Myonen durch Selektion als aufwärts laufend rekonstruierter Ereignisse werden weitere Selektionskriterien entwickelt, um einen Datensatz herauszufiltern, der von durch atmosphärische Neutrinos induzierten Myonen dominiert ist. Diese 699 Ereignisse werden im Hinblick auf signifikante Beiträge von Punktquellen untersucht, d.h. auf Überschüsse der Ereigniskonzentration aus bestimmten Richtungen. Weder die Betrachtung einer Auswahl möglicher Neutrinoquellen (z.B. aktive galaktische Kerne, Mikroquasare oder Supernova-Überreste), noch eine Suche am gesamten Nordhimmel durch die Platzierung überlappender Suchfenster, noch die Untersuchung der Raumwinkel-Abstände zwischen Paaren selektierter Ereignisse ergeben einen signifikanten Hinweis auf die Existenz von Quellen astrophysikalischer hochenergetischer Neutrinos. Unter der Annahme eines Neutrinospektrums dN/dE ~ E^(-2) werden Flussgrenzen für die Neutrino-Flüsse der ausgewählten Quellenkandidaten sowie für die neutrino-induzierten Myonflüsse angegeben, die im Mittel bei der Sensitivität von E^2 dN(Neutrinos)/dE = 2*10^(-7) GeV cm^(-2) s^(-1) bzw. N(Myonen) = 2*10^(-15) cm^(-2) s^(-1) liegen. Dies sind zur Zeit die besten Grenzen für die Neutrinoflüsse von astrophysikalischen Quellen in der nördlichen Hemisphäre. / We describe the search for astrophysical sources of high energy neutrinos with the AMANDA-II detector. This detector allows for reconstruction of neutrino induced muon tracks by the Cherenkov radiation emitted by relativistic muons. We analyze the AMANDA-II data recorded in the year 2000 with a lifetime of 197 days. A large fraction of the background of atmospheric muons can be suppressed by the selection of events reconstructed as upward moving tracks. We develop further quality criteria, which lead to the extraction of a sample of 699 neutrino event candidates, dominated by atmospheric neutrinos. We analyze this data sample in view of significant contributions from neutrino point sources, which would be observable as enhancements of the event density from certain directions. We have not found a significant indication of the existence of astrophysical high energy neutrino sources, neither by the investigation of source candidates (e.g. Active Galactic Nuclei, microquasars, or supernova remnants), nor by a binned search in the complete Northern sky, nor by the investigation of angular distances between pairs of reconstructed event directions. Assuming power-law neutrino spectra dN/dE ~ E^(-2), we calculate limits on the neutrino fluxes and the neutrino induced muons fluxes from a list of selected neutrino source candidates. The sensitivity of the AMANDA-II detector, i.e. the average neutrino and muon flux limits, amounts to E^2 dN(neutrinos)/dE = 2*10^(-7) GeV cm^(-2) s^(-1) and N(muons) = 2*10^(-15) cm^(-2) s^(-1), respectively. These are currently the best limits on neutrino fluxes from astrophysical objects in the Northern hemisphere.

Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine Möglichkeit, astrophysikalische Teilchenbeschleuniger als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifizieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung der Tscherenkow-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die zwischen 2007 und 2008 mit IceCube, dem größten Neutrinoteleskop dieser Art, gesammelt wurden. Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre beschränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden, um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird gezeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Selektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Energien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren. Zum Nachweis richtungsabhängiger Neutrinosignale wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt. Modellvorhersagen für Aktive Galaktische Kerne dienten als Grundlage für separate Tests anhand einer Liste von Quellkandidaten und mittels einer zeitabhängigen Suche nach kurzen Neutrinoemissionen vom Blazar 3C279. Es konnten keine signifikanten Ereignisüberschüsse über dem Untergrund beobachtet werden. Daraus leiten sich die ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien. Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwischen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschauern, veröffentlicht durch das HiRes Experiment und das Pierre Auger Observatorium, dienten zur Bestimmung solcher Koinzidenzen. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen. / Searching for point-like neutrino signals provides a chance of identifying astrophysical particle accelerators as sources of cosmic rays. An established approach to realise high energy neutrino astronomy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks in subsurface detectors. Presented here is an analysis based on data taken between 2007 and 2008 with IceCube, the largest of these neutrino telescopes. Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemisphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates that the region above the horizon can be included by suppressing the background through an energy-sensitive event selection. The approach improves the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all due to absorption of neutrinos from below the horizon. Both celestial hemispheres were scanned to identify neutrino fluxes from individual directions. Based on model predictions for Active Galactic Nuclei, separate tests were performed by compiling a list of specific neutrino source candidates and by searching for short neutrino flares from the blazar 3C279. No significant excesses above the atmospheric background were found. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For certain source candidates, these limits provide the best constraints on models predicting neutrinos above PeV energies. Based on the same event sample, a search for correlations between neutrinos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival directions of air showers, reported by the HiRes experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to determine such coincidences. The result of this study is compatible with the background hypothesis.

Soil and groundwater pollution has become a global issue since the advent of industrialization and mechanized agriculture. Some contaminants such as PAHs may persist in the subsurface for decades and centuries. In a bid to address these issues, protection of groundwater must be based on the quantification of potential threats to pollution at the subsurface which is often inaccessible. Risk assessment of groundwater pollution may however be strongly supported by applying process-based simulation models, which turn out to be particularly helpful with regard to long-term predictions, which cannot be undertaken by experiments. Such reliable predictions, however, can only be achieved if the used modeling tool is known to be applicable. The aim of this work was threefold. First, a source strength function was developed to describe the leaching behavior of point source organic contaminants and thereby acting as a time-dependent upper boundary condition for transport models. For general application of these functions dimensionless numbers known as Damköhler numbers were used to characterize the reaction of the pollutants with the solid matrix. Two functions were derived and have been incorporated into an Excel worksheet to act as a practical aid in the quantification of leaching behavior of organic contaminant in seepage water prognoses. Second, the process based model tool SMART, which is well validated for laboratory scale data, was applied to lysimeter scale data from two research centres, FZJ (Jülich) and GSF (München) for long term predictions. Results from pure forward model runs show a fairly good correlation with the measured data. Finally, the derived source term functions in combination with the SMART model were used to assess groundwater vulnerability beneath a typical landfill at Kwabenya in Ghana. The predicted breakthrough time after leaking from the landfill was more than 200 years considering the operational time of the facility (30 years). Considering contaminant degradation, the landfill would therefore not cause groundwater pollution under the simulated scenarios and the SMART model can be used to establish waste acceptance criteria for organic contaminants in the landfill at Kwabenya / Seit dem Beginn der Industrialisierung und der mechanisierten Landwirtschaft wurde die Boden- und Grundwasserverschmutzung zu einem weltweiten Problem. Einige Schadstoffe wie z. B. PAK können für Jahrzehnte oder Jahrhunderte im Untergrund bestehen. Um diese Probleme behandeln zu können, muss der Schutz des Grundwassers basierend auf der Quantifizierung potentieller Gefährdungen des zumeist unzugänglichen Untergrundes erfolgen. Risikoabschätzungen von Grundwasserverschmutzungen können jedoch durch die Anwendung prozess-basierter Simulationsmodelle erheblich unterstützt werden, die sich besonders im Hinblick auf Langzeitvorhersagen als hilfreich erweisen und nicht experimentell ermittelbar sind. Derart zuverlässige Vorhersagen können jedoch nur erhalten werden, wenn das verwendete Modellierwerkzeug als anwendbar bekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit bestand aus drei Teilen. Erstens wurde eine Quellstärke-funktion entwickelt, die das Ausbreitungsverhalten organischer Schadstoffe aus einer Punktquelle beschreibt und dadurch als zeitabhängige obere Randbedingung bei Transportmodellen dienen kann. Im Hinblick auf die allgemeine Anwendbarkeit dieser Funktion werden als Damköhler-Zahlen bekannte, dimensionslose Zahlen verwendet, um die Reaktion von Schadstoffen mit Feststoffen zu charakterisieren. Zwei Funktionen wurden abgeleitet und in ein Excel-Arbeitsblatt eingefügt, das ein praktisches Hilfsmittel bei der Quantifizierung des Freisetzungsverhaltens organischer Schadstoffe im Rahmen der Sickerwasserprognose darstellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Anwendung des prozessbasierten und mittels Laborexperimenten validierten Modellwerkzeugs SMART für Langzeitprognosen auf der Lysimeterskala anhand von Daten zweier Forschungszentren, FZJ (Jülich) und GSF (München). Ergebnisse reiner Vorwärtsmodellierungsläufe zeigten gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Daten. Im dritten Teil wurden die erhaltenen Quellstärkefunktionen in Kombination mit dem SMART-Modell eingesetzt, um das Grundwassergefährdungspotential unter einer typischen Deponie in Kwabenya, Ghana, einzuschätzen. Die vorhergesagten Durchbruchszeiten nach einer Leckage in der Deponie betragen über 200 Jahre bei einer Betriebszeit von 30 Jahren. Unter Berücksichtigung des Schadstoffabbaus verursacht die Deponie somit keine Grundwasserverunreinigung im Rahmen der simulierten Szenarien und das SMART-Modell kann verwendet werden, um Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe in der Deponie in Kwabenya festzulegen.

Soil and groundwater pollution has become a global issue since the advent of industrialization and mechanized agriculture. Some contaminants such as PAHs may persist in the subsurface for decades and centuries. In a bid to address these issues, protection of groundwater must be based on the quantification of potential threats to pollution at the subsurface which is often inaccessible. Risk assessment of groundwater pollution may however be strongly supported by applying process-based simulation models, which turn out to be particularly helpful with regard to long-term predictions, which cannot be undertaken by experiments. Such reliable predictions, however, can only be achieved if the used modeling tool is known to be applicable. The aim of this work was threefold. First, a source strength function was developed to describe the leaching behavior of point source organic contaminants and thereby acting as a time-dependent upper boundary condition for transport models. For general application of these functions dimensionless numbers known as Damköhler numbers were used to characterize the reaction of the pollutants with the solid matrix. Two functions were derived and have been incorporated into an Excel worksheet to act as a practical aid in the quantification of leaching behavior of organic contaminant in seepage water prognoses. Second, the process based model tool SMART, which is well validated for laboratory scale data, was applied to lysimeter scale data from two research centres, FZJ (Jülich) and GSF (München) for long term predictions. Results from pure forward model runs show a fairly good correlation with the measured data. Finally, the derived source term functions in combination with the SMART model were used to assess groundwater vulnerability beneath a typical landfill at Kwabenya in Ghana. The predicted breakthrough time after leaking from the landfill was more than 200 years considering the operational time of the facility (30 years). Considering contaminant degradation, the landfill would therefore not cause groundwater pollution under the simulated scenarios and the SMART model can be used to establish waste acceptance criteria for organic contaminants in the landfill at Kwabenya / Seit dem Beginn der Industrialisierung und der mechanisierten Landwirtschaft wurde die Boden- und Grundwasserverschmutzung zu einem weltweiten Problem. Einige Schadstoffe wie z. B. PAK können für Jahrzehnte oder Jahrhunderte im Untergrund bestehen. Um diese Probleme behandeln zu können, muss der Schutz des Grundwassers basierend auf der Quantifizierung potentieller Gefährdungen des zumeist unzugänglichen Untergrundes erfolgen. Risikoabschätzungen von Grundwasserverschmutzungen können jedoch durch die Anwendung prozess-basierter Simulationsmodelle erheblich unterstützt werden, die sich besonders im Hinblick auf Langzeitvorhersagen als hilfreich erweisen und nicht experimentell ermittelbar sind. Derart zuverlässige Vorhersagen können jedoch nur erhalten werden, wenn das verwendete Modellierwerkzeug als anwendbar bekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit bestand aus drei Teilen. Erstens wurde eine Quellstärke-funktion entwickelt, die das Ausbreitungsverhalten organischer Schadstoffe aus einer Punktquelle beschreibt und dadurch als zeitabhängige obere Randbedingung bei Transportmodellen dienen kann. Im Hinblick auf die allgemeine Anwendbarkeit dieser Funktion werden als Damköhler-Zahlen bekannte, dimensionslose Zahlen verwendet, um die Reaktion von Schadstoffen mit Feststoffen zu charakterisieren. Zwei Funktionen wurden abgeleitet und in ein Excel-Arbeitsblatt eingefügt, das ein praktisches Hilfsmittel bei der Quantifizierung des Freisetzungsverhaltens organischer Schadstoffe im Rahmen der Sickerwasserprognose darstellt. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die Anwendung des prozessbasierten und mittels Laborexperimenten validierten Modellwerkzeugs SMART für Langzeitprognosen auf der Lysimeterskala anhand von Daten zweier Forschungszentren, FZJ (Jülich) und GSF (München). Ergebnisse reiner Vorwärtsmodellierungsläufe zeigten gute Übereinstimmungen mit den gemessenen Daten. Im dritten Teil wurden die erhaltenen Quellstärkefunktionen in Kombination mit dem SMART-Modell eingesetzt, um das Grundwassergefährdungspotential unter einer typischen Deponie in Kwabenya, Ghana, einzuschätzen. Die vorhergesagten Durchbruchszeiten nach einer Leckage in der Deponie betragen über 200 Jahre bei einer Betriebszeit von 30 Jahren. Unter Berücksichtigung des Schadstoffabbaus verursacht die Deponie somit keine Grundwasserverunreinigung im Rahmen der simulierten Szenarien und das SMART-Modell kann verwendet werden, um Schadstoffgrenzwerte für organische Schadstoffe in der Deponie in Kwabenya festzulegen.

In komplexen Grundwasserleitern lassen sich grundlegende Informationen zur Abgrenzung von Quelleinzugsgebieten, zur Ableitung von Grundwasserfließrichtungen oder zur Bewertung der Vulnerabilität nicht allein über konventionelle hydrogeologische Methoden (beispielsweise Grundwassergleichenpläne, Quellschüttungsmessungen, Pumpversuche) gewinnen, so dass vielfach ergänzend hydrochemische Methoden eingesetzt werden. Zu den gängigen hydrochemischen Methoden gehören Auswertungen der Hauptionenverhältnisse, stabiler und radioaktiver Isotope, von Umwelttracern und Metallen der Seltenen Erden einschließlich des Yttriums sowie der aktive Einsatz künstlicher Markierungsstoffe. Die Anwendung gängiger hydrochemischer Methoden ist durch natürliche oder anthropogene Hintergrundkonzentrationen, die die Ausbildung eines ausreichenden Kontrasts behindern können, limitiert. Da diese Methoden meist nur an der Quelle als integrales Signal des gesamten Einzugsgebiets ansetzen, kann die Abgrenzung des Einzugsgebiets nur indirekt durch die Abschätzung von Volumina und darauf aufbauender Abschätzung der Flächengröße vorgenommen werden. Zur konkreten Lokalisierung der Einzugsgebietsgrenzen und der Ableitung von Grundwasserfließrichtungen sind also zusätzliche Informationen notwendig. Durch die menschliche Produktion organischer Verbindungen steht ein riesiges Spektrum potentieller Indikatoren zur Verfügung, das die Anzahl der bei etablierten Methoden eingesetzten Stoffe um ein Vielfaches übertrifft. Aufgrund ihrer rein anthropogenen Herkunft haben organische Spurenstoffe keine natürlichen Hintergrundkonzentrationen und sind daher bereits auf einem sehr geringen Konzentrationsniveau nutzbar. Im Gebiet der „Waldecker Scholle“ konnten sowohl die räumliche Verteilung organischer Spurenstoffe als auch deren saisonale Konzentrationsschwankungen in einem komplexen Grundwassersystem mit moderat verkarsteten Grundwasserleitern untersucht werden. Die auftretenden Stoffmuster reflektieren die hydrogeologischen Verhältnisse und können zur Lokalisierung von Quelleinzugsgebietsgrenzen genutzt werden. Weitere Hinweise liefern die organischen Spurenstoffe zur Identifikation von punktuellen Eintragsquellen und zur Ausbreitung der aus Punktquellen freigesetzten Stoffe im Grundwasserleiter sowie zum Attenuationspotential dieser Stoffe. Weiterhin kann die hydraulische Wirksamkeit von geringleitenden Zwischenschichten und Störungszonen mittels Identifikation einer Fließkomponente mit einer Verweilzeit von mehr als 20 Jahren abgeschätzt werden. Auch Annahmen hinsichtlich der Vulnerabilität lassen sich validieren. Der Vergleich mit dem hydrogeologisch gut untersuchten Einzugsgebiet der Gallusquelle, zeigt, dass Stoffgruppen wie Triazine und Triazole eine weite Verbreitung haben, andere Stoffe jedoch an bestimmte Gegebenheiten im Gebiet gebunden sind (beispielsweise Altablagerungen, Kanalsystem). Außerdem bestätigt sich in beiden Gebieten, dass das Auftreten von Stoffen sowohl von den Stoffeigenschaften als auch von den hydrogeologischen Eigenschaften abhängig ist. Das bedeutet, dass die Art der in einer Karstquelle auftretenden Stoffe selbst ohne aufwändige zeitlich hochaufgelöste Beprobung bereits Rückschlüsse auf Systemeigenschaften zulässt. Die vorliegende Arbeit zeigt somit, dass organische Spurenstoffe bereits auf der Untersuchungsebene des konzeptionellen Modells wertvolle Indikatoren zur Charakterisierung komplexer Grundwassersysteme sein können. Die große Menge an zur Verfügung stehenden Stoffen bietet die Möglichkeit, bestimmte Stoffe auszuwählen, die die jeweiligen Systemcharakteristika widerspiegeln. Mit organischen Spurenstoffen können sowohl Grundwasserkomponenten unterschiedlicher Verweilzeiten von wenigen Tagen bis zu mehreren Jahrzehnten identifiziert werden als auch räumliche Zusammenhänge von wenigen Metern bis über Einzugsgebietsgrenzen hinaus untersucht werden. Die Einbeziehung organischer Spurenstoffe in die Erkundungsstrategien komplexer Grundwassersysteme hat daher ein vielversprechendes zukunftsweisendes Potential.