The structure and magnetism of selected compounds of the pnictides iron based superconductors with chemical formula LnO{1-x}FeAsFx (Ln = La,Sm and Ce), commonly known as 1111, and of rare earth iron borates RFe3(BO3)4 (R = Tb, Gd, Nd and Y), were studied by means of hard x-ray diffraction. For the 1111 pnictides compounds, Rietveld refinement of powder x-ray diffraction measurements at room temperature reveals, that the ionic substitution of O by F has no effect on the structure of the FeAs layers of tetrahedra, whereas the major changes takes place in the LnO layer. These changes are reflected as a shrinkage of the crystal lattice, specially in the c direction. Additionally, a study of the temperature dependent structure of the Sm and Ce-1111 compounds was performed and an estimation of the the structural transition temperature was obtained. The results of the structural measurements, combined with electrical resistivity and µSR, were used to construct the Sm and Ce-1111 phase diagrams. These phase diagrams are characterized by two regions, consisting of a spin density wave (SDW) state and a superconducting state, which are sharply separated upon doping. Considering the different Ln ion, upon F doping the transition temperatures are more efficiently suppressed in Ce-1111 as compared to Sm-1111. More intriguingly, for the Ce case, a coexistence region between static magnetism and superconductivity without an orthorhombic distortion has been observed. Further analysis of the width of the Bragg peaks reveals strong lattice fluctuations towards phase transitions, which are reflected in magnetic and transport properties. Moreover, a strong damping of the lattice fluctuations is observed at Tc for superconducting Sm-1111 samples, giving experimental evidence of competing orders towards phase transitions in the iron pnictides. Regarding the iron borates, non-resonant x-ray scattering studies have shown several new diffraction features, from the appearance of additional reflections that violate the reflection conditions for the low temperature crystal structure, to the emerging of commensurate superlattice peaks that appear below TN. A detailed analysis of the structure factors and q dependencies of the earlier reflections, demonstrate their magnetic nature. Additional resonant x-ray magnetic scattering experiments on NdFe3(BO3)4 were performed at the Nd L2,3 and Fe K edges. The results show that the magnetization behavior is different for the Nd and for the Fe sublattices. Moreover, we find that the magnetization of the Nd sublattice is induced by the Fe magnetization. The temperature dependent measurements also show a commensurate to incommensurate transition where the magnetic structure changes from a commensurate collinear structure, where both Nd and Fe moments align in the hexagonal basal plane, to an incommensurate spin helix structure that propagates along c. When a magnetic field is applied, the spin helix is destroyed and a collinear structure is formed where the moments align in a direction perpendicular to the applied magnetic field. Moreover, the critical field at which the spin helix is destroyed is the same field at which the magnetic induced electric polarization is maximum, thus, showing that the spin helix is not at the origin of the electric polarization.

Nachhaltige Architektur erfordert neue Bauformen, innovative Konstruktionen und die Verwendung neuartiger Baumaterialien. Zur Abschätzung des Risikos von feuchtebedingten Schäden finden Programme der hygrothermischen Bauteilsimulation Anwendung. Bei der Entwicklung solcher Simulationsprogramme spielt die korrekte Modellierung der Klimarandbedingungen eine entscheidende Rolle. Beim Übergang von der kurzwelligen horizontalen Strahlungsstromdichte auf die kurzwellige Strahlungsstromdichte eines beliebigen Bauteils müssen Himmelsrichtung der Flächennormalen und die Neigung des Bauteils zum Ausschluss von Eigenverschattung berücksichtigt werden. Das dargestellte integrale Modell erlaubt die Berechnung und Programmierung in einem hygrothermischen Simulationsprogramm. Für den Fall, dass nur Messwerte der globalen Strahlungsstromdichte zur Verfügung stehen, können die direkten und diffusen Anteile mithilfe geeigneter Modelle mit einer sehr guten Genauigkeit berechnet werden. Zur Berechnung der langwelligen Strahlungsbilanz eines Bauteils stehen nur selten jene Klimaparameter zur Verfügung, mit denen die atmosphärische langwellige Strahlungsflussdichte analytisch bestimmt werden kann, weshalb semi-empirische Modelle Anwendung finden müssen. Die langwellige Ausstrahlung der Atmosphäre kann mithilfe von bodennaher Lufttemperatur und Luftfeuchte sowie zweier Bedeckungsgrad-Indizes berechnet werden, welche die langwelligen Strahlungseigenschaften der Atmosphäre auf der Basis der vorhandenen kurzwelligen Strahlungsstromdichten beschreiben. Damit wird erstmals ein umfassendes Modell für die langwellige Strahlungsbilanz vorgelegt, welches alle Möglichkeiten der Datenverfügbarkeit berücksichtigt. Die Berechnung der Schlagregenstromdichte auf ein Bauteil kann mit den meisten vorliegenden semi-empirischen Modellen nur sehr ungenau erfolgen. Andere Verfahren, wie z.B. CFD-Simulationen, kommen wegen des beträchtlichen Aufwands meist nicht in Frage. Das bislang einzige vorliegende umfassende validierte semi-empirische Modell von Blocken kann durch die Berücksichtigung der mesoklimatischen Verhältnisse in seiner Genauigkeit verbessert werden. / Sustainable architecture requires new building design, innovative constructions and the use of newly developed building materials. In order to determine the risk of moisture-related damages, computer programs for hygrothermal building part simulation are being used. If one develops such a simulation program, correct modelling of climatic boundary conditions plays an important role. When calculating the shortwave solar radiation flux density at an arbitrary building part on the basis of the shortwave solar radiation flux density on the horizontal surface, one must take into consideration the orientation and the inclination of the building part in order to preclude self-shading. The presented integral model allows the calculation and the programming in a hygrothermal simulation program. If only measured values of global radiation flux density are available, direct and diffuse parts can be determined very precisely by means of validated models. When calculating the longwave radiation balance on a building part, the needed values for the correct determination of atmospheric longwave radiation are hardly available. That’s why semi-empirical models will be applied. The longwave radiation flux density of the atmosphere can be determined on the basis of near-ground temperature and relative humidity and two cloud cover indices, which describe the longwave irradiative properties of the atmosphere by means of available shortwave radiation flux densities. Therewith, firstly an integral model is being presented in order to determine longwave radiation balance, which considers all possibilities of data availability. Most models for determination of driving rain load work with very bad accuracy. Other methods such as computational fluid dynamics (CFD) are not possible for hygrothermal building part simulations because of the huge effort. The only fully validated semi-empirical model by Blocken can be improved, if meso-climatic boundary conditions are taken into consideration.

Persistent condensation trails are clouds, induced by the exhaust of an aircraft engine in a cold and ice-supersaturated environment. These artificial ice clouds can both cool and heat the atmosphere by scattering solar radiation and absorbing terrestrial radiation, respectively. The influence of condensation trails on the Earth-atmosphere energy balance and therewith the answer to the question of the dominating process had been mostly approximated on a global scale by treating the condensation trail as plane parallel layer with constant optical properties. Individual condensation trails and the influence of the solar angle had been analyzed, always using a course spatial grid and never under consideration of the aircraft performance, generating the condensation trail. For a trajectory optimization, highly precise results of the impact of condensation trails on the radiation budget and the influence of the aircraft performance on this impact is needed, so that future air traffic may consider the main factors of flight performance on the environmental impact of condensation trails. That’s why, a model is developed in this thesis to continuously estimate the scattering and absorption properties and their dependence on the aircraft performance.:1 Introduction 3 1.1 Motivation 3 1.2 State of the art 5 1.3 Approach 6 2 Theoretical background 9 2.1 The Earth’s atmosphere 9 2.1.1 The mean vertical structure of the atmosphere 12 2.1.2 Standard atmospheres 14 2.2 Radiation 15 2.2.1 Nature of radiation 15 2.2.2 Important metrics describing radiation 17 2.2.3 Relevant spectra and principles of radiation 19 2.2.4 Solar radiation 20 2.2.5 Terrestrial radiation 21 2.2.6 Radiative transfer and extinction 22 2.2.7 Radiative transfer equation 30 2.2.8 Energy budget of the Earth-atmosphere system 32 2.3 Thermodynamics 33 2.3.1 Atmospheric stability 33 2.3.2 Turbulence 36 2.3.3 Conditions of contrail formation 41 3 Development of a radiative forcing model 45 3.1 Model atmosphere 45 3.2 Flight performance model 46 3.3 Atmospheric radiative transfer model 49 3.3.1 Two Stream Approximation 51 3.3.2 Discrete ordinate radiative transfer solver 52 3.3.3 Methods to calculate broadband radiances and irradiances 53 3.4 Contrail life cycle model 57 3.4.1 Dissipation regime 58 3.4.2 Diffusion regime 63 3.5 Contrail radiative forcing model 74 3.5.1 Consideration of multiple scattering using a Monte Carlo simulation 74 3.5.2 Geometry of the Monte Carlo simulation 75 3.5.3 Interpretation of Beer’s law 76 3.5.4 Procedure of the Monte Carlo simulation 79 3.5.5 The extinguished power per unit length contrail 87 3.5.6 Scattering and absorption efficiencies Qs, Qa and asymmetry parameters gHG 89 3.5.7 Calibration of the Monte Carlo simulation 94 4 Calculations 99 4.1 Contrail properties 99 4.1.1 Conditions of contrail formation 100 4.1.2 Initial dimensions at the end of the dissipation regime 101 4.1.3 Microphysical properties during the diffusion regime 103 4.2 Radiative transport up to the contrail 105 4.2.1 Solar direct and diffuse radiance 106 4.2.2 Terrestrial irradiance 107 4.3 Scattering and absorption properties of radiation within the contrail 109 4.3.1 Monte Carlo simulation for solar radiation 109 4.3.2 Monte Carlo simulation for terrestrial irradiances 112 4.3.3 Relevance of multiple scattering 116 4.4 Radiative extinction 116 4.4.1 Solar zenith and azimuthal angle 118 4.4.2 Flightpath 120 4.4.3 Contrail evolution 122 4.4.4 Turbulence 126 4.4.5 Wavelength specific extinction 129 4.5 Terrestrial energy forcing of a contrail 133 4.6 Verification 135 5 Conclusion and outlook 141 5.1 Conclusion 141 5.2 Outlook 144 List of Figures 147 List of Tables 151 Abbreviations and Symbols 153 Glossary 161 Bibliography 169 Acknowledgements 183 / Langlebige Kondensstreifen sind Eiswolken, welche durch Kondensation von Wasserdampf an Rußpartikeln in einer eisübersättigten Atmosphäre entstehen. Der Wasserdampf entstammt einerseits aus dem Triebwerkabgas und andererseits aus der Atmosphäre. Kondensstreifen können die Atmosphäre durch Rückstreuung solarer Strahlung kühlen und durch Rückstreuung und Absorption terrestrischer Strahlung erwärmen. Der Einfluss von Kondensstreifen auf den Wärmehaushalt der Atmosphäre und damit die Antwort auf die Frage nach dem dominierenden Effekt wurde bisher zumeist auf globaler Ebene ermittelt, wobei der Kondensstreifen als planparallele Schicht mit konstanten optischen Eigenschaften angenähert wurde. Individuelle Kondensstreifen und der Einfluss des Sonnenstandes wurden bisher nur mithilfe eines groben Rasters betrachtet und niemals unter Berücksichtigung der Flugleistung des Luftfahrzeuges, welches den Kondensstreifen generiert hat. Für eine Trajektorienoptimierung sind jedoch präzise Berechnungen des Strahlungseinflusses und eine gewissenhafte Berücksichtigung der Flugleistung notwendig. Nur so kann der zukünftige Luftverkehr die Haupteinflussfaktoren der Flugeigenschaften auf den Strahlungseinfluss der Kondensstreifen berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches die Eigenschaften des Strahlungstransfers durch den Kondensstreifen kontinuierlich bestimmt und die aus der Flugleistung resultierenden Parameter berücksichtigt.:1 Introduction 3 1.1 Motivation 3 1.2 State of the art 5 1.3 Approach 6 2 Theoretical background 9 2.1 The Earth’s atmosphere 9 2.1.1 The mean vertical structure of the atmosphere 12 2.1.2 Standard atmospheres 14 2.2 Radiation 15 2.2.1 Nature of radiation 15 2.2.2 Important metrics describing radiation 17 2.2.3 Relevant spectra and principles of radiation 19 2.2.4 Solar radiation 20 2.2.5 Terrestrial radiation 21 2.2.6 Radiative transfer and extinction 22 2.2.7 Radiative transfer equation 30 2.2.8 Energy budget of the Earth-atmosphere system 32 2.3 Thermodynamics 33 2.3.1 Atmospheric stability 33 2.3.2 Turbulence 36 2.3.3 Conditions of contrail formation 41 3 Development of a radiative forcing model 45 3.1 Model atmosphere 45 3.2 Flight performance model 46 3.3 Atmospheric radiative transfer model 49 3.3.1 Two Stream Approximation 51 3.3.2 Discrete ordinate radiative transfer solver 52 3.3.3 Methods to calculate broadband radiances and irradiances 53 3.4 Contrail life cycle model 57 3.4.1 Dissipation regime 58 3.4.2 Diffusion regime 63 3.5 Contrail radiative forcing model 74 3.5.1 Consideration of multiple scattering using a Monte Carlo simulation 74 3.5.2 Geometry of the Monte Carlo simulation 75 3.5.3 Interpretation of Beer’s law 76 3.5.4 Procedure of the Monte Carlo simulation 79 3.5.5 The extinguished power per unit length contrail 87 3.5.6 Scattering and absorption efficiencies Qs, Qa and asymmetry parameters gHG 89 3.5.7 Calibration of the Monte Carlo simulation 94 4 Calculations 99 4.1 Contrail properties 99 4.1.1 Conditions of contrail formation 100 4.1.2 Initial dimensions at the end of the dissipation regime 101 4.1.3 Microphysical properties during the diffusion regime 103 4.2 Radiative transport up to the contrail 105 4.2.1 Solar direct and diffuse radiance 106 4.2.2 Terrestrial irradiance 107 4.3 Scattering and absorption properties of radiation within the contrail 109 4.3.1 Monte Carlo simulation for solar radiation 109 4.3.2 Monte Carlo simulation for terrestrial irradiances 112 4.3.3 Relevance of multiple scattering 116 4.4 Radiative extinction 116 4.4.1 Solar zenith and azimuthal angle 118 4.4.2 Flightpath 120 4.4.3 Contrail evolution 122 4.4.4 Turbulence 126 4.4.5 Wavelength specific extinction 129 4.5 Terrestrial energy forcing of a contrail 133 4.6 Verification 135 5 Conclusion and outlook 141 5.1 Conclusion 141 5.2 Outlook 144 List of Figures 147 List of Tables 151 Abbreviations and Symbols 153 Glossary 161 Bibliography 169 Acknowledgements 183

The public perception of ionising radiation focuses on its exploitation for energy production and medicine (diagnostics, therapy). In contrast, natural sources of ionising radiation are rarely considered, which contribute to more than half of the total radiation exposure. With regard to biological consequences, stochastic radiation effects (e. g. mortality of radiation-induced cancer, genetic effects), where the probability increases with dose, and deterministic radiation effects (pathological changes, e. g. changes of gonads, embryo and fetus) for which severity increases with dose, must be distinguished. Ionizing radiation is frequently linked to various risks (cancer, genetic damage, acute radiation syndrome). Usually, these risks are over-estimated. / Bei der öffentlichen Auseinandersetzung mit ionisierender Strahlung steht deren Nutzung im Rahmen der Energieerzeugung und der Medizin (Diagnostik, Strahlentherapie) im Vordergrund. Selten wird bedacht, dass ionisierende Strahlung auch natürlich vorkommt und damit mehr als die Hälfte der Gesamt-Strahlenbelastung bedingt. Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung wird eingeteilt in stochastische Effekte, bei denen die Wahrscheinlichkeit eines Effektes mit der Dosis zunimmt (z. B. Tod durch strahleninduzierten Krebs, genetische Effekte), sowie deterministische Effekte (pathologische Veränderungen, z. B. an Fortpflanzungsorganen oder der Leibesfrucht), bei denen der Schweregrad dosisabhängig ist. Ionisierende Strahlung wird häufig mit verschiedenen Risiken (Krebs, Erbschäden, Strahlenkrankheit) in Verbindung gebracht, wobei diese in der Regel überschätzt werden.

The structure and magnetism of selected compounds of the pnictides iron based superconductors with chemical formula LnO{1-x}FeAsFx (Ln = La,Sm and Ce), commonly known as 1111, and of rare earth iron borates RFe3(BO3)4 (R = Tb, Gd, Nd and Y), were studied by means of hard x-ray diffraction. For the 1111 pnictides compounds, Rietveld refinement of powder x-ray diffraction measurements at room temperature reveals, that the ionic substitution of O by F has no effect on the structure of the FeAs layers of tetrahedra, whereas the major changes takes place in the LnO layer. These changes are reflected as a shrinkage of the crystal lattice, specially in the c direction. Additionally, a study of the temperature dependent structure of the Sm and Ce-1111 compounds was performed and an estimation of the the structural transition temperature was obtained. The results of the structural measurements, combined with electrical resistivity and µSR, were used to construct the Sm and Ce-1111 phase diagrams. These phase diagrams are characterized by two regions, consisting of a spin density wave (SDW) state and a superconducting state, which are sharply separated upon doping. Considering the different Ln ion, upon F doping the transition temperatures are more efficiently suppressed in Ce-1111 as compared to Sm-1111. More intriguingly, for the Ce case, a coexistence region between static magnetism and superconductivity without an orthorhombic distortion has been observed. Further analysis of the width of the Bragg peaks reveals strong lattice fluctuations towards phase transitions, which are reflected in magnetic and transport properties. Moreover, a strong damping of the lattice fluctuations is observed at Tc for superconducting Sm-1111 samples, giving experimental evidence of competing orders towards phase transitions in the iron pnictides. Regarding the iron borates, non-resonant x-ray scattering studies have shown several new diffraction features, from the appearance of additional reflections that violate the reflection conditions for the low temperature crystal structure, to the emerging of commensurate superlattice peaks that appear below TN. A detailed analysis of the structure factors and q dependencies of the earlier reflections, demonstrate their magnetic nature. Additional resonant x-ray magnetic scattering experiments on NdFe3(BO3)4 were performed at the Nd L2,3 and Fe K edges. The results show that the magnetization behavior is different for the Nd and for the Fe sublattices. Moreover, we find that the magnetization of the Nd sublattice is induced by the Fe magnetization. The temperature dependent measurements also show a commensurate to incommensurate transition where the magnetic structure changes from a commensurate collinear structure, where both Nd and Fe moments align in the hexagonal basal plane, to an incommensurate spin helix structure that propagates along c. When a magnetic field is applied, the spin helix is destroyed and a collinear structure is formed where the moments align in a direction perpendicular to the applied magnetic field. Moreover, the critical field at which the spin helix is destroyed is the same field at which the magnetic induced electric polarization is maximum, thus, showing that the spin helix is not at the origin of the electric polarization.

The Monte Carlo (MC) method is an effective approach to simulate the radiative transfer in an inhomogeneous cloudy atmosphere. It is based on the direct physical simulation of the extinction processes that solar and thermal photons incur when traveling through the atmosphere. A detailed description of the MC method is presented in the second chapter. A new three-dimensional Monte Carlo radiative transfer model, based on a pre-existing model (Trautmann et al. [1999]), has been developed. Some outstanding characteristics of this model are discussed in chapter 3. Several simulations of reflectances, transmittances, absorptances and horizontal flux densities have been performed, the results of which have been compared with worldwide accepted codes (chapter 4). The two cases selected for the radiative transfer computations were taken from the Intercomparison of 3D Radiative Codes (I3RC) project: an ARM (Atmospheric Radiation Measurements) reconstructed cloud and a 3D marine boundary layer cloud / Die Monte Carlo (MC) Methode ist ein effektives Verfahren, um den Strahlungstransport in einer inhomogenen bewölkten Atmosphäre zu simulieren. Es begründet sich auf der direkten Simulation der Extinktionsprozesse eines solaren oder thermischen Photons auf seinem Weg durch die Atmosphäre. Eine detallierte Beschreibung der MC Methode erfolgt in Kapitel 2. In Kapitel 3 wird ein neues dreidimensionales MC-Strahlungstranportmodell vorgestellt, das, aufbauend auf einem schon bestehenden Modell (Trautmann et al. [1999]), entwickelt wurde. Mehrere Simulationen von Reflektanzen, Transmittanzen, Absorptanzen und Strahlungsflussdichten für zwei Fälle des \"Intercomparison of 3D radiative Codes\" projektes, nämlich eine ARM rekonstruierte Wolke und eine 3D marine Grenzschichwolke, wurden durchgeführt, und mit den Ergebnissen anderer weltweit akzeptierten Codes verglichen.

Die Akutfolgen ionisierender Strahlung wurden in zahlreichen Studien gut untersucht, ein Zusammenhang zwischen Hochdosisbestrahlung und deterministischen Spätschäden wurde vielfach belegt. Über die Langzeitfolgen niedrig dosierter ionisierender Strahlung hingegen ist bislang weniger bekannt, obwohl epidemiologische Studien auf ein erhöhtes Risiko strahlenassoziierter Spätfolgen hinweisen, sogar bei sehr geringen Dosen. Ionisierende Strahlung bedingt dosis- und zeitabhängigen Veränderungen in zahlreichen Geweben. Mittlere bis hohe Strahlendosen führen unter anderem zur strahleninduzierten koronaren Herzkrankheit mit ihren vielfältigen Folgeerkrankungen. Die vorliegende Studie beschäftigt sich mit den inflammatorischen, thrombotischen und fibrotischen Spätfolgen des murinen ApoE-/- -Herzens 3 bzw. 6 Monate nach Niedrig-Dosis-Bestrahlung. Dazu wurde die Expression ausgewählter Markerproteine an gefroren Herzschnitten und Plasmaproben mittels Immunfluoreszenzanalyse bzw. ELISA quantifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass bereits sehr niedrige Bestrahlungsdosen (0,025 – 0,5 Gy) zu kompensatorischen Langzeiteffekten wie beispielsweise einer erhöhte Kapillardichte und Änderungen von Kollagen-IV und Thy-1-Expression führen. Dabei finden sich sowohl pro- als auch antiinflammatorische Effekte. Aus den Erkenntnissen multipler inflammatorischer und thrombotischer Veränderungen nach Niedrigdosisbestrahlung ließen sich möglicherweise wichtige Rationalen der anti-inflammatorischen Strahlentherapie ableiten. Darüber hinaus könnte anhand systemischer Plasmamarker die individuelle Evaluation strahlenassoziierter Spätfolgen und Einleitung adäquater Interventionsstrategien ermöglicht werden. Ob die hier gezeigten Effekte nur in Patienten mit besonderem Risikoprofil, wie erhöhten Cholesterin-Spiegeln, oder auch metabolisch gesunden relevant sind, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten.

The ionospheric response to solar extreme ultraviolet (EUV) variability during 2011–2014 is shown by simple proxies based on Solar Dynamics Observatory/Extreme Ultraviolet Variability Experiment solar EUV spectra. The daily proxies are compared with global mean total electron content (TEC) computed from global TEC maps derived from Global Navigation Satellite System dual frequency measurements. They describe about 74% of the intra-seasonal TEC variability. At time scales of the solar rotation up to about 40 days there is a time lag between EUV and TEC variability of about one day, with a tendency to increase for longer time scales.

Der wesentliche Dosis limitierende Faktor einer Strahlentherapie thorakaler Malignome ist die Strahlenempfindlichkeit des Lungenparenchymes, da sich mit einer Häufigkeit von 25-75 % aller Patienten ein Strahlenschaden des Lungengewebes entwickeln kann. Die Inzidenz einer Lungenfibrose nach 6- 12 Monaten liegt bei 15-30%. Die Kombination zytostatischer Medikamente mit ionisierender Strahlung kann die Ansprechraten verbessern, kann andererseits die Inzidenz einer Pneumonitis erhöhen. Die konkreten Mechanismen, die zu einer Pneumonitis und einer strahleninduzierten Fibrose führen, sind bislang noch nicht vollständig bekannt. Es wird vermutet, daß die ortsständigen Zellen der Lunge eine aktivere Rolle in der Pathogenese als bisher angenommen, einnehmen. Tiermodelle der Strahlenschädiung der Lunge zeigten ein sehr frühe Expression von TGF-ß-mRNA and fibronectin-mRNA nach Bestrahlung. TGF-ß und Fibronectin sind in der BALF und Serum von an thorakalen Malignomen erkrankten, strahlentherapeutisch behandelten Patienten erhöht. Neben Makrophagen und Typ II Pneumocyten als zelluläre Quellen der genannten Cytokine, sind Fibroblasten in der Lage beide Agentien in erheblichem Umfang zu synthetisieren. Ziele Um die aktive Rolle von Fibroblasten in der Pathogenese der strahleninduzierten Lungenfibrose in Abwesenheit von Entzündungszellen zu untersuchen, bestrahlten wir Lungenfibroblasten in vitro und beobachteten folgende Parameter. 1. Zellwachstum 2. Synthese von Fibronectin 3. Synthese von Kollagen ( Procollagen-I-Peptid) 4. Synthese von TGF-ß1 Methoden Humane fetale Lungenfibroblasten (MRC-5 ,ICN Biochemicals Eschwege ,Deutschland) wurden in DME Medium kultiviert unter Zugabe von 10% FCS plus L-Glutamine, Penicillin G , Amphotericin B und Gentamycin; Luftfeuchtigkeit 100% , Temperatur 37°, CO2 5%, Medienwechsel erfolgten zweimal wöchentlich und 24 Stunden vor den Messungen. 24h nach der Aussaat der Zellen erfolgte die Strahlenapplikation (CO 60; 4.5, 7.5, 10.5 Gy ). Messungen erfolgten an den Tagen 3,6,9,12,15 nach Bestrahlung. Hierfür wurden folgende Materialien verwandt. Fibronectin (ELISA), Takara TGF beta (ELISA), DPC Biermann Procollagen-I-Peptide (ELISA), Takara LDH ( kinetischer Assay), Sigma Cell counts (Zählkammer) Alle Messungen wurden zweimal unternommen. Ergebnisse: 1. Das Zellwachstum wurde dosisabhängig gehemmt. 2. Beginnend am 3 Tag stieg die Syntheserate des Fibronectin dosisabhängig. 3. Ähnliche Beobachtungen wurde bzgl der Procollagen-I-Peptid Synthese beobachtet. 4. TGF-ß Spiegel fanden sich nach Bestrahlung ab Tag 6 bis zum 4-fachen über dem Ausgangswert erhöht und kehrten ziwschen den Tagen 9 und 15 auf das Ausgangsniveau zurück. 5. Eine Erhöhung des LDH wurde nicht beobachtet. Dies zeigte, dass eine Zytolyse kein wesentlichen Einfluß hatte. Disskusion: Bei Bestrahlung humaner fetaler Lungenfibroblasten wird das Zellwachstum dosisabhängig limitiert. Dies wurde nicht durch einen strahlenbedingt erhöhten Zelltod hervorgerufen , da das bestimmte LDH ( ein Marker der Zytolyse) in den Zellkulturüberständen nicht erhöht war. Wir vermuten, das durch Bestrahlung eine Differenzierung von Progenitor Fibroblasten zu postmitotischen Fibrocyten erfolgte, wie auch bereits von anderen Arbeitsgruppen berichtet. TGF-ß fand sich nach Bestrahlung in den Zellkulturüberständen deutlich erhöht. Es wird angenommen , daß TGF-ß eine Schlüsselrolle in der Pathogenese fibrosierender Erkrankungen der Lunge, der Leber, der Niere spielt und ebenso in die Enstehung der durch ionisierende Bestrahlung hervorgerufene Lungenfibrose eingebunden ist. Unsere Experimente haben gezeigt , daß Fibroblasten in der Lage sind große Mengen TGF-ß and Fibronectin - sogar in Abwesenheit von Entzündungszellen- zu erzeugen und sich vermutlich autokrin stimulieren können. Dieser Mechanismus wird als wichtiger Co-Faktor in der Pathobiologie verschiedener zur Fibrose führender Lungenerkrankungen angenommen. Schlussfolgerung Fibroblasten produzieren erhöhte Mengen TGF-ß und Fibronectin nach Applikation ionisierender Strahlung. Sie könnten in der Pathogenese der Strahlenschädigung der Lunge eine aktivere Rolle spielen als bisher angenommen. / Introduction The major dosis limiting factor of radiation therapy of thoracic malignomas is the lung which may develop radiation injury with a frequency of 25-70% of patients .The incidence of lung fibrosis after 6-12 months ist 15-30 %. Combination of cytostatic drugs with ionizid radiation can improve response rates, but may result in a higher incidence of pneumonitis. The exact mechanisms leading to pneumonitis and radiation induced fibrosis of the lung are yet unknown.The structural cells of the lung are of the lung are probably involved in the pathogenesis in a more active way than thougt until now. Animal models of radiation injury of the lung showed a very early expression of TGF-beta -mRNA and fibronectin-mRNA after irradiation. TGF-ß and Fibronectin were elevated in BALF and in serum. Macrophages and type-II-pneumocytes are thought to be the cellular source, but fibroblasts also are capable to synthesize both agents in large amounts. Aims In order to investigate the active role of fibroblasts in the pathogenesis of radiation fibrosis we irradiated human lung fibroblasts in vitro. We focused on following points: 1. cell growth 2. synthesis of fibronectin 3. synthesis of collagen (procollagen-I-peptid) 4. synthesis of TGF-beta-1 Methods Human fetal lung fibroblasts (MRC-5 ,ICN Biochemicals Eschwege ,Germany) cultured in DME-medium plus 10 % FCS plus L-glutamine, penicillin G, amphotericin B and gentamycine; air humidity 100 %, temp. 37°C, CO2 5%; change of medium twice weekly and 24 hr. before measurements. 24hrs. after seeding, application of ionizing radiation (CO 60; 4.5, 7.5, 10.5 Gy ). Measurements on day 3,6,9,12,15 after irradiation: Fibronectin (ELISA), Takara TGF beta (ELISA), DPC Biermann Procollagen-I-Peptide (ELISA), Takara LDH ( kinetic assay), Sigma Cell counts (counting chamber) All measurements have been done twice. Results 1. cell growth was inhibited in a dose dependent manner. 2. Beginning at day 3 cell related synthesis of fibronectin was increased depending on the dose of irradiation. 3. Similar observations were made in synthesis of procollagen-I-peptide. 4. TGF-beta levels were increased four fold after irradiation beginning on day 6 and returned to basal values between day 9 and 15 (the cells treated with 10.5 Gy were an exception. Here we found a furthermore higher secretion rate ). 5. No elevation of LDH was noticed, showing that cytolysis was not important in these effects. Discussion Irradiation of fetal human lung fibroblasts inihibited cell growth in a dose depend manner. This was not due to cell death initiated by ionizing rays, because LDH ( marker of cytolysis) was not elevated in culture supernatants. We assume that irradiation induces differentiation of progenitor-fibroblasts to promitotic fibrocytes as reported by other groups. TGF-beta was considerably elevated in culture supernatants after irradiation. TGF-beta is assumed to play a key role in fibrosing disease of lung, liver and kidney and may be involved in radiation induced lung fibrosis as well. Our experiments show, that fibroblasts are able to produce high amounts of TGF-beta and fibronectins - even if inflammatory cells are absent- and may stimulate themselves in an autocrine manner.This mechanism is thought to be an important co-factor in the pathobiology of different fibrosing disorders of the lung and may be important in radiation injury of the lung as well. Conclusion Fibroblasts produce increased amounts of TGF-beta and fibronectin after irradiation. They may play a more active role in the pathogenesis of radiation injury than thought up to now.

After the epoch of reionisation the intergalactic medium (IGM) is kept at a high photoionisation level by the cosmic UV background radiation field. Primarily composed of the integrated contribution of quasars and young star forming galaxies, its intensity is subject to spatial and temporal fluctuations. In particular in the vicinity of luminous quasars, the UV radiation intensity grows by several orders of magnitude. Due to an enhanced UV radiation up to a few Mpc from the quasar, the ionised hydrogen fraction significantly increases and becomes visible as a reduced level of absorption in the HI Lyman alpha (Ly-alpha) forest. This phenomenon is known as the proximity effect and it is the main focus of this thesis. Modelling the influence on the IGM of the quasar radiation, one is able to determine the UV background intensity at a specific frequency (J_nu_0), or equivalently, its photoionisation rate (Gamma_b). This is of crucial importance for both theoretical and observational cosmology. Thus far, the proximity effect has been investigated primarily by combining the signal of large samples of quasars, as it has been regarded as a statistical phenomenon. Only a handful of studies tried to measure its signature on individual lines of sight, albeit focusing on one sight line only. Our aim is to perform a systematic investigation of large samples of quasars searching for the signature of the proximity effect, with a particular emphasis on its detection on individual lines of sight. We begin this survey with a sample of 40 high resolution (R~45000), high signal to noise ratio (S/N~70) quasar spectra at redshift 2.1<z<4.7, publicly available in the European Southern Observatory (ESO) archive. The extraordinary quality of this data set enables us to detect the proximity effect signature not only in the combined quasar sample, but also along each individual sight line. This allows us to determine not only the UV background intensity at the mean redshift of this sample, but also to estimate its intensity in small (Delta z~0.2) redshift intervals in the range 2<z<4. Our estimates (J_nu_0~ 3x10^{-22} erg s^{-1} cm^{-2} Hz^{-1} sr^{-1}) are for the first time in very good agreement with different constraints of its evolution obtained from theoretical predictions and numerical simulations. We continue this systematic analysis of the proximity effect with the largest search to date invoking the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) data set. The sample consists of 1733 quasars at redshifts z>2.3. In spite of the low resolution and limited S/N we detect the proximity effect on about 98% of the quasars at a high significance level. Thereby we are able to determine the evolution of the UV background photoionisation rate within the redshift range 2<z<5 finding Gamma_b~ 1.6x10^{-12} s^{-1}. With these new measurements we explore literature estimates of the quasar luminosity function and predict the stellar luminosity density up to redshift of about z~5. Our results are globally in good agreement with recent determinations inferred from deep surveys of high redshift galaxies. We then compare our measurements on the UV background photoionisation rate inferred from the two samples at high and low resolution. While these data sets show extreme differences, our determinations are in considerable agreement at z<3.3, even though they show less agreement at higher redshifts. We suspect that this may be caused by either the small number of high resolution quasar spectra at the highest redshifts considered or by some systematic effect due to the limited data quality of SDSS. Complementary to the observational investigation of the proximity effect on high redshift quasars, we exploit some theoretical aspects linked to and based on the results on this phenomenon. We employ complex numerical simulations of structure formation to achieve a better representation of the Ly-alpha forest. Modelling the signature of the proximity effect on randomly selected sight lines, we prove the advantages of dealing with individual lines of sight instead of combining their signal to investigate this phenomenon. Furthermore, we develop and test novel techniques aimed at a more precise determination of the proximity effect signal. With this investigation we demonstrate that the technique developed and employed in this thesis is the most accurate adopted thus far. Tighter determinations of the UV background are certainly based on suitable methods to detect its signature, but also on a deeper understanding of the environments in which quasars form and evolve. We initiate an investigation of complex numerical simulations including the radiative transport of energy to model in a more detailed way the proximity effect. Such a simulation may lead to the characterisation of the quasar environment based on the comparison between the observed and simulated statistical properties of the proximity effect signature. / Nach dem kosmologischen Zeitalter der Reionisation wird der hohe Photoionisationsgrad des intergalaktische Mediums (IGM) durch die kosmische UV-Hintergrundstrahlung aufrecht erhalten. Zur Intensitaet der Hintergrundstrahlung tragen hauptsaechlich Quasare und jungen Galaxien bei. Daher entstehen sowohl raeumliche als auch zeitliche Fluktuationen, wobei die Intensistaet insbesondere in der Naehe von leuchtkraeftigen Quasaren um mehrere Groessenordnungen ansteigt. Aufgrund der erhoehten UV-Strahlung in einer Entfernung von bis zu einigen Mpc von einem Quasar wird ein groesserer Anteil des intergalaktischen Wasserstoffs ionisiert, was als reduzierte Absorption im Lyman alpha (Ly-alpha) Wald sichtbar wird. Dieses Phaenomen wird proximity effect genannt und ist das Hauptthema dieser Arbeit. Durch Modellierung des Einflusses des Quasars auf das IGM kann die Intensitaet des UV-Hintergrunds bei einer bestimmten Frequenz (J_nu_0) bzw. die entsprechende Photoionisationrate (Gamma_b) bestimmt werden. Dies ist sowohl fuer die theoretische als auch fuer die beobachtende Kosmologie eine wichtige Groesse. Bisher wurde der Proximity-Effekt als ein statistisches Phaenomen untersucht, wobei die Signale vieler einzelner Quasare kombiniert wurden. Nur in wenigen Analysen wurde versucht, den Effekt in einzelnen Sehlinien zu detektieren. Das Ziel dieser Arbeit ist eine systematische Untersuchung des Proximity-Effekts in einer grossen Anzahl von Quasaren, wobei der besonderen Schwerpunkt auf seiner Detektion in einzelnen Sehlinien liegt. Zunaechst werden 40 Quasare im Rotverschiebungsbereich 2.1<z<4.7 untersucht, deren Spektren mit hoher Aufloesung (R=45000) und hohem Signal-zu-Rausch-Verhaeltnis (S/N~70) im Archiv des European Southern Observatory (ESO) vorliegen. Die ausserordentlich gute Qualitaet dieser Daten ermoeglicht die Detektion des Proximity-Effekts nicht nur als kombiniertes Signal aller Quasare sondern auch in jeder einzelnen Sehlinie. Daher konnten wir nicht nur die Intensitaet des UV-Hintergrunds bei der mittleren Rotverschiebung ermitteln sondern auch in kleineren Rotverschiebungsintervallen (Delta z~0.2) im Bereich 2<z<4. Unsere Ergebnisse (J_nu_0}~3x10^{-22} erg s^{-1} cm^{-2} Hz^{-1} sr^{-1}) stimmen zum ersten Mal gut anderen Bestimmungen ueberein, die auf theoretischen Voraussagen und auf numerischen Simulationen beruhen. Unsere systematische Analyse des Proximity-Effekts wird mit dem bisher groessten Datensatz bestehend aus 1733 Quasaren mit Rotverschiebungen z>2.3 aus dem Sloan Digital Sky Survey (SDSS) fortgefuehrt. Trotz der niedrigen Aufloesung und dem begrenzten S/N detektieren wir den Proximity-Effekt mit einer hohen Signifikanz in etwa 98% der Sehlinen. Dabei kann die Entwicklung der Photoionisationsrate Gamma_b~1.6x10^{-12} s^{-1} im Rotverschiebungsbereich 2<z<5 bestimmt werden. Mit diesen neuen Messungen diskutieren wir verschiedene Quasar-Leuchtkraftfunktionen aus der Literatur und berechnen die stellare Emissivitaet bis z~5. Unsere Ergebnisse stimmen im Allgemeinen gut mit denen von neueren Himmelsdurchmusterungen nach hochrotverschobenen Galaxien ueberein. Dann vergleichen wir die auf den hoch bzw. niedrig aufgeloesten Spektren basierenden Photoionisationsraten miteinander. Obwohl die Datensaetze sehr unterschiedlich sind, fuehren sie bei z<3.3 zu den selben Ergebnissen, waehrend die Resultate bei hoeheren Rotverschiebungen weniger gut uebereinstimmen. Wir vermuten, dass dies entweder durch die kleine Anzahl von hochaufgeloesten Quasarspektren bei den hoechsten Rotverschiebungen, oder durch systematische Effekte der geringen SDSS Datenqualitaet hervorgerufen wird. Ergaenzend zu der Auswertung der Beobachtungsdaten fuehren wir basierend auf unseren Ergebnissen einige theoretische Untersuchugen durch. Wir benutzen komplexe Strukturbildungssimulationen, um eine bessere Beschreibung des Ly-alpha-Walds zu gewinnen. Mit Hilfe der Modellierung des Proximity-Effekts in zufaellig ausgesuchten Sehlinien zeigen wir den Vorteil auf, den die Analyse einzelner Sehlinien im Vergleich zur kombinierten Auswertung mehrerer Spektren hat. Ausserdem entwickeln und testen wir neue Ansaetze zur genaueren Bestimmung des Proxmity-Effekts. Dabei zeigen wir, dass die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte und angewendete Methode bisher zu den genauesten Ergebnissen fuehrt. Fuer eine noch bessere Bestimmung des UV-Hintergurnds brauchen wir neben der optimalen Detektionsmethode auch ein tieferes Verstaendnis der Umgebung, in der Quasare entstehen und sich entwickeln. Wir beginnen eine Analyse komplexer numerischer Simulationen, die auch Strahlungstransportrechungen beinhalten, um weitere Details des Proximity-Effekts zu verstehen. Der Vergleich der statistischen Eigenschaften des Proximity-Effekts in solchen Simulationen mit Beobachtungen koennte in Zukunft zu einer genaueren Beschreibung der Umgebung von Quasaren fuehren.