Design of wireless sensor networks for fluid dynamic applications

In fluid dynamics research, pressure measurements are of great importance to define the flow field acting on aerodynamic surfaces. In fact the experimental approach is fundamental to avoid the complexity of the mathematical models for predicting the fluid phenomena. It’s important to note that, using in-situ sensor to monitor pressure on large domains with highly unsteady flows, several problems are encountered working with the classical techniques due to the transducer cost, the intrusiveness, the time response and the operating range. An interesting approach for satisfying the previously reported sensor requirements is to implement a sensor network capable of acquiring pressure data on aerodynamic surface using a wireless communication system able to collect the pressure data with the lowest environmental–invasion level possible. In this thesis a wireless sensor network for fluid fields pressure has been designed, built and tested. To develop the system, a capacitive pressure sensor, based on polymeric membrane, and read out circuitry, based on microcontroller, have been designed, built and tested. The wireless communication has been performed using the Zensys Z-WAVE platform, and network and data management have been implemented. Finally, the full embedded system with antenna has been created. As a proof of concept, the monitoring of pressure on the top of the mainsail in a sailboat has been chosen as working example.

A new approach for the dynamic modelling of the human knee

Mathematical models of the knee joint are important tools which have both theoretical and practical applications. They are used by researchers to fully understand the stabilizing role of the components of the joint, by engineers as an aid for prosthetic design, by surgeons during the planning of an operation or during the operation itself, and by orthopedists for diagnosis and rehabilitation purposes. The principal aims of knee models are to reproduce the restraining function of each structure of the joint and to replicate the relative motion of the bones which constitute the joint itself. It is clear that the first point is functional to the second one. However, the standard procedures for the dynamic modelling of the knee tend to be more focused on the second aspect: the motion of the joint is correctly replicated, but the stabilizing role of the articular components is somehow lost. A first contribution of this dissertation is the definition of a novel approach — called sequential approach — for the dynamic modelling of the knee. The procedure makes it possible to develop more and more sophisticated models of the joint by a succession of steps, starting from a first simple model of its passive motion. The fundamental characteristic of the proposed procedure is that the results obtained at each step do not worsen those already obtained at previous steps, thus preserving the restraining function of the knee structures. The models which stem from the first two steps of the sequential approach are then presented. The result of the first step is a model of the passive motion of the knee, comprehensive of the patello-femoral joint. Kinematical and anatomical considerations lead to define a one degree of freedom rigid link mechanism, whose members represent determinate components of the joint. The result of the second step is a stiffness model of the knee. This model is obtained from the first one, by following the rules of the proposed procedure. Both models have been identified from experimental data by means of an optimization procedure. The simulated motions of the models then have been compared to the experimental ones. Both models accurately reproduce the motion of the joint under the corresponding loading conditions. Moreover, the sequential approach makes sure the results obtained at the first step are not worsened at the second step: the stiffness model can also reproduce the passive motion of the knee with the same accuracy than the previous simpler model. The procedure proved to be successful and thus promising for the definition of more complex models which could also involve the effect of muscular forces.

Multi-level models and infrastructures for simulating biological system development

The hierarchical organisation of biological systems plays a crucial role in the pattern formation of gene expression resulting from the morphogenetic processes, where autonomous internal dynamics of cells, as well as cell-to-cell interactions through membranes, are responsible for the emergent peculiar structures of the individual phenotype. Being able to reproduce the systems dynamics at different levels of such a hierarchy might be very useful for studying such a complex phenomenon of self-organisation. The idea is to model the phenomenon in terms of a large and dynamic network of compartments, where the interplay between inter-compartment and intra-compartment events determines the emergent behaviour resulting in the formation of spatial patterns. According to these premises the thesis proposes a review of the different approaches already developed in modelling developmental biology problems, as well as the main models and infrastructures available in literature for modelling biological systems, analysing their capabilities in tackling multi-compartment / multi-level models. The thesis then introduces a practical framework, MS-BioNET, for modelling and simulating these scenarios exploiting the potential of multi-level dynamics. This is based on (i) a computational model featuring networks of compartments and an enhanced model of chemical reaction addressing molecule transfer, (ii) a logic-oriented language to flexibly specify complex simulation scenarios, and (iii) a simulation engine based on the many-species/many-channels optimised version of Gillespie’s direct method. The thesis finally proposes the adoption of the agent-based model as an approach capable of capture multi-level dynamics. To overcome the problem of parameter tuning in the model, the simulators are supplied with a module for parameter optimisation. The task is defined as an optimisation problem over the parameter space in which the objective function to be minimised is the distance between the output of the simulator and a target one. The problem is tackled with a metaheuristic algorithm. As an example of application of the MS-BioNET framework and of the agent-based model, a model of the first stages of Drosophila Melanogaster development is realised. The model goal is to generate the early spatial pattern of gap gene expression. The correctness of the models is shown comparing the simulation results with real data of gene expression with spatial and temporal resolution, acquired in free on-line sources.

From core rigidities to dynamic capabilities: the role of external knowledge. A multiple case study

This study focuses on the processes of change that firms undertake to overcome conditions of organizational rigidity and develop new dynamic capabilities, thanks to the contribution of external knowledge. When external contingencies highlight firms’ core rigidities, external actors can intervene in change projects, providing new competences to firms’ managers. Knowledge transfer and organizational learning processes can lead to the development of new dynamic capabilities. Existing literature does not completely explain how these processes develop and how external knowledge providers, as management consultants, influence them. Dynamic capabilities literature has become very rich in the last years; however, the models that explain how dynamic capabilities evolve are not particularly investigated. Adopting a qualitative approach, this research proposes four relevant case studies in which external actors introduce new knowledge within organizations, activating processes of change. Each case study consists of a management consulting project. Data are collected through in-depth interviews with consultants and managers. A large amount of documents supports evidences from interviews. A narrative approach is adopted to account for change processes and a synthetic approach is proposed to compare case studies along relevant dimensions. This study presents a model of capabilities evolution, supported by empirical evidence, to explain how external knowledge intervenes in capabilities evolution processes: first, external actors solve gaps between environmental demands and firms’ capabilities, changing organizational structures and routines; second, a knowledge transfer between consultants and managers leads to the creation of new ordinary capabilities; third, managers can develop new dynamic capabilities through a deliberate learning process that internalizes new tacit knowledge from consultants. After the end of the consulting project, two elements can influence the deliberate learning process: new external contingencies and changes in the perceptions about external actors.

Der Austausch von Stickstoffmonoxid zwischen Boden und Atmosphäre unter besonderer Berücksichtigung des Bodenwassergehaltes

Stickstoffmonoxid (NO) ist als reaktives Spurengas eine wichtige Komponente atmosphärenchemischer Prozesse und hat somit einen bedeutenden Einfluss auf die Zusammensetzung der Atmosphäre. Eine Hauptquelle des Spurengases stellen bodenmikrobiologische Prozesse dar, deren regionaler und globaler Anteil weiterhin mit größeren Unsicherheiten geschätzt wird. Ursache für die schwere Abschätzbarkeit der NO-Freisetzung aus Böden ist die hohe räumliche Variabilität der steuernden Faktoren. Als einer der wichtigsten Faktoren, die die Freisetzung von NO aus Böden regeln, gilt der Bodenwassergehalt. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen NO-Freisetzung, Bodenwassergehalt, den Bodeneigenschaften und den Standortbedingungen zu untersuchen und diesen möglichst zu quantifizieren. Dazu sind Bodenproben unterschiedlicher Landnutzungen in einem kleineren Wassereinzugsgebiet im Rheingau im Labor, unter kontrollierten Bedingungen, untersucht. Der charakteristische Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und NO-Freisetzung, die sogenannte Bodenfeuchtekurve, kann demnach weitestgehend auf die gemessenen Bodenmerkmale der untersuchten Proben zurückgeführt werden. Anhand der Bodenmerkmale kann die Bodenfeuchtekurve zufriedenstellend vorhergesagt werden. Dabei zeigt vor allem der Humusgehalt der Böden einen dominierenden Einfluss. Er ist die Variable, die die Unterschiede der Böden beim Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und NO-Freisetzung am besten und hinreichend erklären kann. Zur Konstruktion der Bodenfeuchtekurve müssen die optimale Bodenfeuchte und die dabei herrschende Freisetzung, sowie die obere Bodenfeuchte, bei der keine NO-Freisetzung mehr stattfindet, bekannt sein. Diese charakteristischen Punkte lassen sich durch lineare Regressionsmodelle gut aus den Bodeneigenschaften ableiten. Auf räumlicher Ebene werden die Bodeneigenschaften durch die standörtlichen Bedingungen geprägt, die wiederum Ausdruck der landschaftlichen Ausstattung sind. In der Kulturlandschaft kann der Mensch aufgrund seiner Landnutzungsansprüche als der dominierende Faktor angesehen werden. Die Landnutzung orientiert sich an den landschaftlichen Bedingungen und bestimmt in hohem Maße wichtige Bodeneigenschaften, die zu den erklärenden Merkmalen bei der Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und NO-Freisetzung gehören. Die in erster Linie wirtschaftlich orientierten Kartenwerke Bodenschätzung, Weinbergsbodenkartierung und forstliche Standortkartierung sind dementsprechend geeignete Grundlagen, um eine Regionalisierung der Landschaft in - bezüglich der NO-Freisetzung - weitgehend homogene Flächen durchführen zu können. Eine hierauf beruhende Regionalisierung ist dazu geeignet, die räumliche Variabilität der NO-Freisetzung in räumlich sinnvoller Auflösung besser abschätzen zu können.

Modeling the spatial dynamics of economic models

The advances that have been characterizing spatial econometrics in recent years are mostly theoretical and have not found an extensive empirical application yet. In this work we aim at supplying a review of the main tools of spatial econometrics and to show an empirical application for one of the most recently introduced estimators. Despite the numerous alternatives that the econometric theory provides for the treatment of spatial (and spatiotemporal) data, empirical analyses are still limited by the lack of availability of the correspondent routines in statistical and econometric software. Spatiotemporal modeling represents one of the most recent developments in spatial econometric theory and the finite sample properties of the estimators that have been proposed are currently being tested in the literature. We provide a comparison between some estimators (a quasi-maximum likelihood, QML, estimator and some GMM-type estimators) for a fixed effects dynamic panel data model under certain conditions, by means of a Monte Carlo simulation analysis. We focus on different settings, which are characterized either by fully stable or quasi-unit root series. We also investigate the extent of the bias that is caused by a non-spatial estimation of a model when the data are characterized by different degrees of spatial dependence. Finally, we provide an empirical application of a QML estimator for a time-space dynamic model which includes a temporal, a spatial and a spatiotemporal lag of the dependent variable. This is done by choosing a relevant and prolific field of analysis, in which spatial econometrics has only found limited space so far, in order to explore the value-added of considering the spatial dimension of the data. In particular, we study the determinants of cropland value in Midwestern U.S.A. in the years 1971-2009, by taking the present value model (PVM) as the theoretical framework of analysis.

Forward implied volatility expansions in LSV models

In this work we address the problem of finding formulas for efficient and reliable analytical approximation for the calculation of forward implied volatility in LSV models, a problem which is reduced to the calculation of option prices as an expansion of the price of the same financial asset in a Black-Scholes dynamic. Our approach involves an expansion of the differential operator, whose solution represents the price in local stochastic volatility dynamics. Further calculations then allow to obtain an expansion of the implied volatility without the aid of any special function or expensive from the computational point of view, in order to obtain explicit formulas fast to calculate but also as accurate as possible.

Influence of advanced load simulation models on fatigue design of jackets for offshore wind turbines.

Constant developments in the field of offshore wind energy have increased the range of water depths at which wind farms are planned to be installed. Therefore, in addition to monopile support structures suitable in shallow waters (up to 30 m), different types of support structures, able to withstand severe sea conditions at the greater water depths, have been developed. For water depths above 30 m, the jacket is one of the preferred support types. Jacket represents a lightweight support structure, which, in combination with complex nature of environmental loads, is prone to highly dynamic behavior. As a consequence, high stresses with great variability in time can be observed in all structural members. The highest concentration of stresses occurs in joints due to their nature (structural discontinuities) and due to the existence of notches along the welds present in the joints. This makes them the weakest elements of the jacket in terms of fatigue. In the numerical modeling of jackets for offshore wind turbines, a reduction of local stresses at the chord-brace joints, and consequently an optimization of the model, can be achieved by implementing joint flexibility in the chord-brace joints. Therefore, in this work, the influence of joint flexibility on the fatigue damage in chord-brace joints of a numerical jacket model, subjected to advanced load simulations, is studied.

Estimation of Quasi-Rational DSGE Models

Small-scale dynamic stochastic general equilibrium have been treated as the benchmark of much of the monetary policy literature, given their ability to explain the impact of monetary policy on output, inflation and financial markets. One cause of the empirical failure of New Keynesian models is partially due to the Rational Expectations (RE) paradigm, which entails a tight structure on the dynamics of the system. Under this hypothesis, the agents are assumed to know the data genereting process. In this paper, we propose the econometric analysis of New Keynesian DSGE models under an alternative expectations generating paradigm, which can be regarded as an intermediate position between rational expectations and learning, nameley an adapted version of the "Quasi-Rational" Expectatations (QRE) hypothesis. Given the agents' statistical model, we build a pseudo-structural form from the baseline system of Euler equations, imposing that the length of the reduced form is the same as in the `best' statistical model.

Closed-loop investigation of the dynamical properties of cardiomyocyte electrophysiology by means of Dynamic clamp and Mathematical modelling

The research field of my PhD concerns mathematical modeling and numerical simulation, applied to the cardiac electrophysiology analysis at a single cell level. This is possible thanks to the development of mathematical descriptions of single cellular components, ionic channels, pumps, exchangers and subcellular compartments. Due to the difficulties of vivo experiments on human cells, most of the measurements are acquired in vitro using animal models (e.g. guinea pig, dog, rabbit). Moreover, to study the cardiac action potential and all its features, it is necessary to acquire more specific knowledge about single ionic currents that contribute to the cardiac activity. Electrophysiological models of the heart have become very accurate in recent years giving rise to extremely complicated systems of differential equations. Although describing the behavior of cardiac cells quite well, the models are computationally demanding for numerical simulations and are very difficult to analyze from a mathematical (dynamical-systems) viewpoint. Simplified mathematical models that capture the underlying dynamics to a certain extent are therefore frequently used. The results presented in this thesis have confirmed that a close integration of computational modeling and experimental recordings in real myocytes, as performed by dynamic clamp, is a useful tool in enhancing our understanding of various components of normal cardiac electrophysiology, but also arrhythmogenic mechanisms in a pathological condition, especially when fully integrated with experimental data.

Modelling the dynamic response of rockfall protection barriers

Mountainous areas are prone to natural hazards like rockfalls. Among the many countermeasures, rockfall protection barriers represent an effective solution to mitigate the risk. They are metallic structures designed to intercept rocks falling from unstable slopes, thus dissipating the energy deriving from the impact. This study aims at providing a better understanding of the response of several rockfall barrier types, through the development of rather sophisticated three-dimensional numerical finite elements models which take into account for the highly dynamic and non-linear conditions of such events. The models are built considering the actual geometrical and mechanical properties of real systems. Particular attention is given to the connecting details between the structural components and to their interactions. The importance of the work lies in being able to support a wide experimental activity with appropriate numerical modelling. The data of several full-scale tests carried out on barrier prototypes, as well as on their structural components, are combined with results of numerical simulations. Though the models are designed with relatively simple solutions in order to obtain a low computational cost of the simulations, they are able to reproduce with great accuracy the test results, thus validating the reliability of the numerical strategy proposed for the design of these structures. The developed models have shown to be readily applied to predict the barrier performance under different possible scenarios, by varying the initial configuration of the structures and/or of the impact conditions. Furthermore, the numerical models enable to optimize the design of these structures and to evaluate the benefit of possible solutions. Finally it is shown they can be also used as a valuable supporting tool for the operators within a rockfall risk assessment procedure, to gain crucial understanding of the performance of existing barriers in working conditions.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Kinematics of local and high-z galaxies through 3D modeling of emission-line datacubes

The kinematics is a fundamental tool to infer the dynamical structure of galaxies and to understand their formation and evolution. Spectroscopic observations of gas emission lines are often used to derive rotation curves and velocity dispersions. It is however difficult to disentangle these two quantities in low spatial-resolution data because of beam smearing. In this thesis, we present 3D-Barolo, a new software to derive the gas kinematics of disk galaxies from emission-line data-cubes. The code builds tilted-ring models in the 3D observational space and compares them with the actual data-cubes. 3D-Barolo works with data at a wide range of spatial resolutions without being affected by instrumental biases. We use 3D-Barolo to derive rotation curves and velocity dispersions of several galaxies in both the local and the high-redshift Universe. We run our code on HI observations of nearby galaxies and we compare our results with 2D traditional approaches. We show that a 3D approach to the derivation of the gas kinematics has to be preferred to a 2D approach whenever a galaxy is resolved with less than about 20 elements across the disk. We moreover analyze a sample of galaxies at z~1, observed in the H-alpha line with the KMOS/VLT spectrograph. Our 3D modeling reveals that the kinematics of these high-z systems is comparable to that of local disk galaxies, with steeply-rising rotation curves followed by a flat part and H-alpha velocity dispersions of 15-40 km/s over the whole disks. This evidence suggests that disk galaxies were already fully settled about 7-8 billion years ago. In summary, 3D-Barolo is a powerful and robust tool to separate physical and instrumental effects and to derive a reliable kinematics. The analysis of large samples of galaxies at different redshifts with 3D-Barolo will provide new insights on how galaxies assemble and evolve throughout cosmic time.

Topological mass of magnetic Skyrmions probed by ultrafast dynamic imaging

In dieser Arbeit untersuchen wir mittels zeitaufgelöster Abbildungen die Gigahertz-Dynamik von magnetischen Skyrmionen, um die Bewegungsgleichungen für diese Quasiteilchen zu bestimmen. Um dieses Ziel zu erreichen haben wir zunächst ein CoB/Pt Schichtsystem entwickelt, das starke senkrechte magnetische Anisotropie mit einer besonders geringen Rauigkeit der Energielandschaft verbindet. Diese Eigenschaften sind für das repetitive dynamische Abbildungsverfahren unerlässlich. In einem zweiten Schritt haben wir das Probendesign optimiert und so weiterentwickelt, dass eine Beobachtung der Skyrmionenbewegung mit einer Auflösung von besser als 3 nm möglich wurde. Aufgrund dieser Verbesserungen ist es uns gelungen, die Trajektorie eines Skyrmionen aufzuzeichnen. Diese Bewegung ist eine Superposition von zwei Drehbewegungen, einer im Uhrzeigersinn und einer gegen läufigen. Aus der Existenz dieser zwei Moden lässt sich schließen, dass Skyrmionen träge Quasiteilchen sind, und aus den Frequenzen können wir einen Wert für die träge Masse ableiten. Es stellt sich heraus, dass die Masse von Skyrmion fünfmal größer ist als von existierenden Theorien vorhergesagt. Die Masse wird folglich durch einen neuartigen Mechanismus bestimmt, der sich aus der räumlichen Beschränkung der Skyrmionen ergibt, welche sich direkt aus der Topologie bleitenrnlässt.

Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.