Acidity/basicity, electron donor properties and catalytic activity of sulphate modified ceria

The changes in surface acidity/basicity and catalytic activity of cerium oxide due to surface modification by sulphate ion have been investigated. Electron donor properties of both the modified and unmodified oxides have been studied using electron acceptors of various electron affinity values, viz. 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, 2,3,5,6-tetrachloro--l, 4-benzoquinone. p-dinitrobenzene and m-dinitrobenzene in order to find out whether the increase in acidity on suphation is due to the generation of new acidic sites or they are formed at the expense of some of the basic sites. The surface acidity/basicity has been determined using a set of Hammett indicators. The data have been correlated with the catalytic activity of the oxides for esterification of acetic acid using l-butanol, reduction of cyclohexanone with 2- propanol and oxidation of cyclohexanol using benzophenone.

Studies on the dynamics and rheology of dilute suspensions of Brownian particles in simple shear flow under the action of an external force

We present a novel approach to computing the orientation moments and rheological properties of a dilute suspension of spheroids in a simple shear flow at arbitrary Peclct number based on a generalised Langevin equation method. This method differs from the diffusion equation method which is commonly used to model similar systems in that the actual equations of motion for the orientations of the individual particles are used in the computations, instead of a solution of the diffusion equation of the system. It also differs from the method of 'Brownian dynamics simulations' in that the equations used for the simulations are deterministic differential equations even in the presence of noise, and not stochastic differential equations as in Brownian dynamics simulations. One advantage of the present approach over the Fokker-Planck equation formalism is that it employs a common strategy that can be applied across a wide range of shear and diffusion parameters. Also, since deterministic differential equations are easier to simulate than stochastic differential equations, the Langevin equation method presented in this work is more efficient and less computationally intensive than Brownian dynamics simulations.We derive the Langevin equations governing the orientations of the particles in the suspension and evolve a procedure for obtaining the equation of motion for any orientation moment. A computational technique is described for simulating the orientation moments dynamically from a set of time-averaged Langevin equations, which can be used to obtain the moments when the governing equations are harder to solve analytically. The results obtained using this method are in good agreement with those available in the literature.The above computational method is also used to investigate the effect of rotational Brownian motion on the rheology of the suspension under the action of an external force field. The force field is assumed to be either constant or periodic. In the case of con- I stant external fields earlier results in the literature are reproduced, while for the case of periodic forcing certain parametric regimes corresponding to weak Brownian diffusion are identified where the rheological parameters evolve chaotically and settle onto a low dimensional attractor. The response of the system to variations in the magnitude and orientation of the force field and strength of diffusion is also analyzed through numerical experiments. It is also demonstrated that the aperiodic behaviour exhibited by the system could not have been picked up by the diffusion equation approach as presently used in the literature.The main contributions of this work include the preparation of the basic framework for applying the Langevin method to standard flow problems, quantification of rotary Brownian effects by using the new method, the paired-moment scheme for computing the moments and its use in solving an otherwise intractable problem especially in the limit of small Brownian motion where the problem becomes singular, and a demonstration of how systems governed by a Fokker-Planck equation can be explored for possible chaotic behaviour.

Utilisation of Coir Geotextiles for Unpaved Roads and Embankments

The increasing tempo of construction activity the world over creates heavy pressure on existing land space. The quest for new and competent site often points to the needs for improving existing sites, which are otherwise deemed unsuitable for adopting conventional foundations. This is accomplished by ground improvement methods, which are employed to improve the quality of soil incompetent in their natural state. Among the construction activities, a well-connected road network is one of the basic infrastructure requirements, which play a vital role for the fast and comfortable movement of inter- regional traffic in countries like India.One of the innovative ground improvement techniques practised all over the world is the use of geosynthetics, which include geotextiles, geomembranes, geogrids, etc . They offer the advantages such as space saving, enviromnental sensitivity, material availability, technical superiority, higher cost savings, less construction time, etc . Because of its fundamental properties, such as tensile strength, filtering and water permeability, a geotextile inserted between the base material and sub grade can function as reinforcement, a filter medium, a separation layer and as a drainage medium. Though polymeric geotextiles are used in abundant quantities, the use of natural geotextiles (like coir, jute, etc.) has yet to get momentum. This is primarily due to the lack of research work on natural geotextilcs for ground improvement, particularly in the areas of un paved roads. Coir geotextiles are best suited for low cost applications because of its availability at low prices compared to its synthetic counterparts. The proper utilisation of coir geotextilcs in various applications demands large quantities of the product, which in turn can create a boom in the coir industry. The present study aims at exploring the possibilities of utilising coir geotextiles for unpaved roads and embankments.The properties of coir geotextiles used have been evaluated. The properties studied include mass per unit area, puncture resistance, tensile strength, secant modulus, etc . The interfacial friction between soils and three types of coir geotextiles used was also evaluated. It was found that though the parameters evaluated for coir geotextiles have low values compared to polymeric geotextiles, the former are sufficient for use in unpaved roads and embankments. The frictional characteristics of coir geotextile - soil interfaces are extremely good and satisfy the condition set by the International Geosynthetic Society for varied applications.The performance of coir geotextiles reinforced subgrade was studied by conducting California Bearing Ratio (CBR) tests. Studies were made with coir geotextiles placed at different levels and also in multiple layers. The results have shown that the coir geotextile enhances the subgrade strength. A regression analysis was perfonned and a mathematical model was developed to predict the CBR of the coir geotextile reinforced subgrade soil as a function of the soil properties, coir geotextile properties, and placement depth of reinforcement.The effects of coir geotextiles on bearing capacity were studied by perfonning plate load tests in a test tan1e This helped to understand the functioning of geotextile as reinforcement in unpaved roads and embankments. The perfonnance of different types of coir geotextiles with respect to the placement depth in dry and saturated conditions was studied. The results revealed that the bearing capacity of coir-reinforced soil is increasing irrespective of the type of coir geotextiles and saturation condition.The rut behaviour of unreinforced and coir reinforced unpaved road sections were compared by conducting model static load tests in a test tank and also under repetitive loads in a wheel track test facility. The results showed that coir geotextiles could fulfill the functions as reinforcement and as a separator, both under static and repetitive loads. The rut depth was very much reduced whik placing coir geotextiles in between sub grade and sub base.In order to study the use of Coir geotextiles in improving the settlement characteristics, two types of prefabricated COlf geotextile vertical drains were developed and their time - settlement behaviour were studied. Three different dispositions were tried. It was found that the coir geotextile drains were very effective in reducing consolidation time due to radial drainage. The circular drains in triangular disposition gave maximum beneficial effect.In long run, the degradation of coir geotextile is expected, which results in a soil - fibre matrix. Hence, studies pertaining to strength and compressibility characteristics of soil - coir fibre composites were conducted. Experiments were done using coir fibres having different aspect ratios and in different proportions. The results revealed that the strength of the soil was increased by 150% to 200% when mixed with 2% of fibre having approximately 12mm length, at all compaction conditions. Also, the coefficient of consolidation increased and compression index decreased with the addition of coir fibre.Typical design charts were prepared for the design of coir geotextile reinforced unpaved roads. Some illustrative examples are also given. The results demonstrated that a considerable saving in subase / base thickness can he achieved with the use of eoir geotextiles, which in turn, would save large quantities of natural aggregates.

Studies in Fuzzy Commutative Algebra

The main objective of this thesis was to extend some basic concepts and results in module theory in algebra to the fuzzy setting.The concepts like simple module, semisimple module and exact sequences of R-modules form an important area of study in crisp module theory. In this thesis generalising these concepts to the fuzzy setting we have introduced concepts of ‘simple and semisimple L-modules’ and proved some results which include results analogous to those in crisp case. Also we have defined and studied the concept of ‘exact sequences of L-modules’.Further extending the concepts in crisp theory, we have introduced the fuzzy analogues ‘projective and injective L-modules’. We have proved many results in this context. Further we have defined and explored notion of ‘essential L-submodules of an L-module’. Still there are results in crisp theory related to the topics covered in this thesis which are to be investigated in the fuzzy setting. There are a lot of ideas still left in algebra, related to the theory of modules, such as the ‘injective hull of a module’, ‘tensor product of modules’ etc. for which the fuzzy analogues are not defined and explored.

Statistical Machine Learning Techniques for the Prediction of Learning Disabilities in School-Age Children

Learning Disability (LD) is a general term that describes specific kinds of learning problems. It is a neurological condition that affects a child's brain and impairs his ability to carry out one or many specific tasks. The learning disabled children are neither slow nor mentally retarded. This disorder can make it problematic for a child to learn as quickly or in the same way as some child who isn't affected by a learning disability. An affected child can have normal or above average intelligence. They may have difficulty paying attention, with reading or letter recognition, or with mathematics. It does not mean that children who have learning disabilities are less intelligent. In fact, many children who have learning disabilities are more intelligent than an average child. Learning disabilities vary from child to child. One child with LD may not have the same kind of learning problems as another child with LD. There is no cure for learning disabilities and they are life-long. However, children with LD can be high achievers and can be taught ways to get around the learning disability. In this research work, data mining using machine learning techniques are used to analyze the symptoms of LD, establish interrelationships between them and evaluate the relative importance of these symptoms. To increase the diagnostic accuracy of learning disability prediction, a knowledge based tool based on statistical machine learning or data mining techniques, with high accuracy,according to the knowledge obtained from the clinical information, is proposed. The basic idea of the developed knowledge based tool is to increase the accuracy of the learning disability assessment and reduce the time used for the same. Different statistical machine learning techniques in data mining are used in the study. Identifying the important parameters of LD prediction using the data mining techniques, identifying the hidden relationship between the symptoms of LD and estimating the relative significance of each symptoms of LD are also the parts of the objectives of this research work. The developed tool has many advantages compared to the traditional methods of using check lists in determination of learning disabilities. For improving the performance of various classifiers, we developed some preprocessing methods for the LD prediction system. A new system based on fuzzy and rough set models are also developed for LD prediction. Here also the importance of pre-processing is studied. A Graphical User Interface (GUI) is designed for developing an integrated knowledge based tool for prediction of LD as well as its degree. The designed tool stores the details of the children in the student database and retrieves their LD report as and when required. The present study undoubtedly proves the effectiveness of the tool developed based on various machine learning techniques. It also identifies the important parameters of LD and accurately predicts the learning disability in school age children. This thesis makes several major contributions in technical, general and social areas. The results are found very beneficial to the parents, teachers and the institutions. They are able to diagnose the child’s problem at an early stage and can go for the proper treatments/counseling at the correct time so as to avoid the academic and social losses.

Studies on Fuzzy Matroitls and Related Topics

The doctoral thesis focuses on the Studies on fuzzy Matroids and related topics.Since the publication of the classical paper on fuzzy sets by L. A. Zadeh in 1965.the theory of fuzzy mathematics has gained more and more recognition from many researchers in a wide range of scientific fields. Among various branches of pure and applied mathematics, convexity was one of the areas where the notion of fuzzy set was applied. Many researchers have been involved in extending the notion of abstract convexity to the broader framework of fuzzy setting. As a result, a number of concepts have been formulated and explored. However. many concepts are yet to be fuzzified. The main objective of this thesis was to extend some basic concepts and results in convexity theory to the fuzzy setting. The concept like matroids, independent structures. classical convex invariants like Helly number, Caratheodoty number, Radon number and Exchange number form an important area of study in crisp convexity theory. In this thesis, we try to generalize some of these concepts to the fuzzy setting. Finally, we have defined different types of fuzzy matroids derived from vector spaces and discussed some of their properties.

Modifications of secondary reflector antenna patterns due to shaped beams from flanged primary horn feeds

With the advent of satellite communication and radio astronomy, the need for large and efficient reflector antennas had triggered a widespread investigation in reflector feed design techniques. Major improvements sought are reduction in spill-over, cross polarization losses and the enhancement of aperture efficiency. The search for such a feed culminated in the corrugated horn. The main idea behind the present work is to use the H-plane sectoral horns fitted with,corrugated flanges as feeds of a paraboloid and see how the secondary pattern of the reflector antenna varies with different parameters of the feed. An offset paraboloid is used as the secondary reflector in order to avoid the adverse effect of aperture ‘blocking by the feed horn structure on the secondary radiation pattern. The measurements were repeated for three different H-plane sectoral horns with the same set of corrugated flanges at various X-band frequencies. The following parameters of the whole system are studied: (a) Beam shaping. (b) Gain. (c) Variation of VSWR and (d) Cross polarization

Some problems in set topology relating group of homeomorphisms and order

In this thesis we investigate some problems in set theoretical topology related to the concepts of the group of homeomorphisms and order. Many problems considered are directly or indirectly related to the concept of the group of homeomorphisms of a topological space onto itself. Order theoretic methods are used extensively. Chapter-l deals with the group of homeomorphisms. This concept has been investigated by several authors for many years from different angles. It was observed that nonhomeomorphic topological spaces can have isomorphic groups of homeomorphisms. Many problems relating the topological properties of a space and the algebraic properties of its group of homeomorphisms were investigated. The group of isomorphisms of several algebraic, geometric, order theoretic and topological structures had also been investigated. A related concept of the semigroup of continuous functions of a topological space also received attention

Analysis of Fluctuations in the Early Universe Using Fokker-Planck Formalism

The thesis begins with a review of basic elements of general theory of relativity (GTR) which forms the basis for the theoretical interpretation of the observations in cosmology. The first chapter also discusses the standard model in cosmology, namely the Friedmann model, its predictions and problems. We have also made a brief discussion on fractals and inflation of the early universe in the first chapter. In the second chapter we discuss the formulation of a new approach to cosmology namely a stochastic approach. In this model, the dynam ics of the early universe is described by a set of non-deterministic, Langevin type equations and we derive the solutions using the Fokker—Planck formalism. Here we demonstrate how the problems with the standard model, can be eliminated by introducing the idea of stochastic fluctuations in the early universe. Many recent observations indicate that the present universe may be approximated by a many component fluid and we assume that only the total energy density is conserved. This, in turn, leads to energy transfer between different components of the cosmic fluid and fluctuations in such energy transfer can certainly induce fluctuations in the mean to factor in the equation of state p = wp, resulting in a fluctuating expansion rate for the universe. The third chapter discusses the stochastic evolution of the cosmological parameters in the early universe, using the new approach. The penultimate chapter is about the refinements to be made in the present model, by means of a new deterministic model The concluding chapter presents a discussion on other problems with the conventional cosmology, like fractal correlation of galactic distribution. The author attempts an explanation for this problem using the stochastic approach.

Some Lattice Problems In Fuzzy Set Theory And Fuzzy Topology

It is believed that every fuzzy generalization should be formulated in such a way that it contain the ordinary set theoretic notion as a special case. Therefore the definition of fuzzy topology in the line of C.L.CHANG E9] with an arbitrary complete and distributive lattice as the membership set is taken. Almost all the results proved and presented in this thesis can, in a sense, be called generalizations of corresponding results in ordinary set theory and set topology. However the tools and the methods have to be in many of the cases, new. Here an attempt is made to solve the problem of complementation in the lattice of fuzzy topologies on a set. It is proved that in general, the lattice of fuzzy topologies is not complemented. Complements of some fuzzy topologies are found out. It is observed that (L,X) is not uniquely complemented. However, a complete analysis of the problem of complementation in the lattice of fuzzy topologies is yet to be found out

A study on semigroup action on fuzzy subsets, inverse fuzzy automata and related topics

This thesis comprises five chapters including the introductory chapter. This includes a brief introduction and basic definitions of fuzzy set theory and its applications, semigroup action on sets, finite semigroup theory, its application in automata theory along with references which are used in this thesis. In the second chapter we defined an S-fuzzy subset of X with the extension of the notion of semigroup action of S on X to semigroup action of S on to a fuzzy subset of X using Zadeh's maximal extension principal and proved some results based on this. We also defined an S-fuzzy morphism between two S-fuzzy subsets of X and they together form a category S FSETX. Some general properties and special objects in this category are studied and finally proved that S SET and S FSET are categorically equivalent. Further we tried to generalize this concept to the action of a fuzzy semigroup on fuzzy subsets. As an application, using the above idea, we convert a _nite state automaton to a finite fuzzy state automaton. A classical automata determine whether a word is accepted by the automaton where as a _nite fuzzy state automaton determine the degree of acceptance of the word by the automaton. 1.5. Summary of the Thesis 17 In the third chapter we de_ne regular and inverse fuzzy automata, its construction, and prove that the corresponding transition monoids are regular and inverse monoids respectively. The languages accepted by an inverse fuzzy automata is an inverse fuzzy language and we give a characterization of an inverse fuzzy language. We study some of its algebraic properties and prove that the collection IFL on an alphabet does not form a variety since it is not closed under inverse homomorphic images. We also prove some results based on the fact that a semigroup is inverse if and only if idempotents commute and every L-class or R-class contains a unique idempotent. Fourth chapter includes a study of the structure of the automorphism group of a deterministic faithful inverse fuzzy automaton and prove that it is equal to a subgroup of the inverse monoid of all one-one partial fuzzy transformations on the state set. In the fifth chapter we define min-weighted and max-weighted power automata study some of its algebraic properties and prove that a fuzzy automaton and the fuzzy power automata associated with it have the same transition monoids. The thesis ends with a conclusion of the work done and the scope of further study.

Continuation and discontinuation of local institution in community based natural resource management

Currently the push toward frontier areas, which until twenty years ago were still largely untouched by commercial agriculture, is taking place on a massive scale. This push is being driven not the least by global economic developments, such as the price increase of agriculture commodities like coffee and cocoa. In most cases the indigenous communities become trapped between the state monopoly in natural resource management and the competition for resources by external actors. In this processes the indigenous communities start to lose their access to resources. Another victim in this process is the environment where the natural resources are imbedded. International and national organizations working to conserve environment have became conscious of the important role that indigenous people could fulfill as partners in this endeavour. This partnership in struggle has produced a new discourse on the relationship between indigenous people and their environment. As a further consequence, programs were set up to develop what became known as Community Based Natural Resource Management (CBNRM) with its numerous variations. Based on a case study in a village on the eastern border of the Lore Lindu National Park in Central Sulawesi, this study questioned the basic assumption behind the concept of Community Based Natural Resource Management (CBNRM). Namely the assumption that communities living at the margin of forest are socially and culturally homogenous, still more or less egalitarian, and basically living in harmony with their natural environment. This study was inspired by the persistent critique – although still a minority – on the basic assumption the CBNRM from academicians and practitioners working through the Entitlement perspective. Another inspiration was the mounting critique toward the participatory approach. In its effort the study explore further the usefulness of certain approaches. One of the approach much relied on in this study was the local history of the community studied, through exerting oral and local written documents on local history, legends and local stories. These sources proofed quite capable in bringing the local history into the light. Another was the actor oriented approach, which later came to be supported by the concept of Social Pool Resources. The latter concept proofed to be useful as analytical instrument to integrate social institutions and the common pool resources, as a field of action for the different actors as human agencies.

On Vessiot's Theory of Partial Differential Equations

The object of research presented here is Vessiot's theory of partial differential equations: for a given differential equation one constructs a distribution both tangential to the differential equation and contained within the contact distribution of the jet bundle. Then within it, one seeks n-dimensional subdistributions which are transversal to the base manifold, the integral distributions. These consist of integral elements, and these again shall be adapted so that they make a subdistribution which closes under the Lie-bracket. This then is called a flat Vessiot connection. Solutions to the differential equation may be regarded as integral manifolds of these distributions. In the first part of the thesis, I give a survey of the present state of the formal theory of partial differential equations: one regards differential equations as fibred submanifolds in a suitable jet bundle and considers formal integrability and the stronger notion of involutivity of differential equations for analyzing their solvability. An arbitrary system may (locally) be represented in reduced Cartan normal form. This leads to a natural description of its geometric symbol. The Vessiot distribution now can be split into the direct sum of the symbol and a horizontal complement (which is not unique). The n-dimensional subdistributions which close under the Lie bracket and are transversal to the base manifold are the sought tangential approximations for the solutions of the differential equation. It is now possible to show their existence by analyzing the structure equations. Vessiot's theory is now based on a rigorous foundation. Furthermore, the relation between Vessiot's approach and the crucial notions of the formal theory (like formal integrability and involutivity of differential equations) is clarified. The possible obstructions to involution of a differential equation are deduced explicitly. In the second part of the thesis it is shown that Vessiot's approach for the construction of the wanted distributions step by step succeeds if, and only if, the given system is involutive. Firstly, an existence theorem for integral distributions is proven. Then an existence theorem for flat Vessiot connections is shown. The differential-geometric structure of the basic systems is analyzed and simplified, as compared to those of other approaches, in particular the structure equations which are considered for the proofs of the existence theorems: here, they are a set of linear equations and an involutive system of differential equations. The definition of integral elements given here links Vessiot theory and the dual Cartan-Kähler theory of exterior systems. The analysis of the structure equations not only yields theoretical insight but also produces an algorithm which can be used to derive the coefficients of the vector fields, which span the integral distributions, explicitly. Therefore implementing the algorithm in the computer algebra system MuPAD now is possible.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Entanglement analysis of atomic processes and quantum registers

During recent years, quantum information processing and the study of N−qubit quantum systems have attracted a lot of interest, both in theory and experiment. Apart from the promise of performing efficient quantum information protocols, such as quantum key distribution, teleportation or quantum computation, however, these investigations also revealed a great deal of difficulties which still need to be resolved in practise. Quantum information protocols rely on the application of unitary and non–unitary quantum operations that act on a given set of quantum mechanical two-state systems (qubits) to form (entangled) states, in which the information is encoded. The overall system of qubits is often referred to as a quantum register. Today the entanglement in a quantum register is known as the key resource for many protocols of quantum computation and quantum information theory. However, despite the successful demonstration of several protocols, such as teleportation or quantum key distribution, there are still many open questions of how entanglement affects the efficiency of quantum algorithms or how it can be protected against noisy environments. To facilitate the simulation of such N−qubit quantum systems and the analysis of their entanglement properties, we have developed the Feynman program. The program package provides all necessary tools in order to define and to deal with quantum registers, quantum gates and quantum operations. Using an interactive and easily extendible design within the framework of the computer algebra system Maple, the Feynman program is a powerful toolbox not only for teaching the basic and more advanced concepts of quantum information but also for studying their physical realization in the future. To this end, the Feynman program implements a selection of algebraic separability criteria for bipartite and multipartite mixed states as well as the most frequently used entanglement measures from the literature. Additionally, the program supports the work with quantum operations and their associated (Jamiolkowski) dual states. Based on the implementation of several popular decoherence models, we provide tools especially for the quantitative analysis of quantum operations. As an application of the developed tools we further present two case studies in which the entanglement of two atomic processes is investigated. In particular, we have studied the change of the electron-ion spin entanglement in atomic photoionization and the photon-photon polarization entanglement in the two-photon decay of hydrogen. The results show that both processes are, in principle, suitable for the creation and control of entanglement. Apart from process-specific parameters like initial atom polarization, it is mainly the process geometry which offers a simple and effective instrument to adjust the final state entanglement. Finally, for the case of the two-photon decay of hydrogenlike systems, we study the difference between nonlocal quantum correlations, as given by the violation of the Bell inequality and the concurrence as a true entanglement measure.